автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное исследование приточных и вытяжных транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и щели или канала и боковых отверстий

ВВЕДЕНИЕ стр.

ГЛАВА 1. Обзор основных работ по теории воздуховодов и постановка задач исследования

1.1. Обзор основных работ

1.2. Постановка задач исследования транзитных воздуховодов

ГЛАВА 2. Аналитическое исследование приточных транзитных воздуховодов постоянного сечения с продольной щелью или с боковыми отверстиями

2.1.Постановка задачи для случая раздачи воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины

2.2. Аналитическое решение краевой задачи о раздаче воздуха транзитным воздуховодом с продольной щелью

2.3. Исследование свойств решения краевой задачи и построение алгоритма численного решения

2.4. Раздача воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью в случае малой длины и гладких стенок

2.5. Раздача воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров

2.6. Аппроксимация решения задачи для приточного транзитного воздуховода с боковыми отверстиями

ГЛАВА 3. Аналитическое исследование всасывания воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью или с боковыми отверстиями

3.1. Всасывание воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины

3.2. Всасывание воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью без учета трения

3.3. Всасывание воздуха транзитным воздуховодом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров

3.4. Аналитическое решение краевой задачи о транзитной вытяжке для случая воздуховода постоянного сечения с продольной щелью

3.5. Задачи расчета транзитных воздуховодов постоянного сечения с переменным коэффициентом сопротивления трению

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования транзитных воздуховодов в лабораторных условиях

4.1. Задачи исследования

4.2. Описание экспериментальных установок

4.3. Методика экспериментальных исследований

4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований и сравнение их с теоретическими результатами

Актуальность темы.

В современных условиях научно-технический прогресс в промышленности вообще и в текстильной промышленности, в частности, тесно связан с решением задач, обеспечивающих благоприятные условия для высокопроизводительного труда и нормального протекания технологических процессов.

Приточные и вытяжные воздуховоды находят широкое применение при устройстве общеобменной вентиляции, воздушных завес, местных отсосов, сдува пыли и т.д.

Во многих областях науки, техники и производства, используют системы с раздающими и собирающими каналами, в которых газ или жидкость, текущие вдоль оси канала вытекают или втекают через его боковые стенки. Сюда относятся различного рода газопроводы, оросители, трубчатые фильтры, каталитические радиальные реакторы и адсорберы.

Достаточно полно теоретически исследованы случаи использования воздуховодов при заглушённом конце.

В настоящей работе исследованы транзитные приточные или вытяжные воздуховоды, то есть, воздуховоды с открытым дальним концом, к которому может подсоединяться другой потребитель.

Эти воздуховоды теоретически недостаточно изучены, а для случая транзитных воздуховодов произвольной длины с учетом трения аналитические результаты просто отсутствуют.

В то же время, использование в последнее время воздуховодов с отделителями потока делает актуальным теоретические и экспериментальные исследования транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и щели или канала и боковых отверстий.

При достаточной протяженности такие воздуховоды являются более технологичными и экономичными по сравнению с воздуховодами, имеющими переменные параметры.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование приточных и вытяжных транзитных воздуховодов постоянного сечения с продольной щелью постоянной ширины или с боковыми отверстиями одинаковых размеров.

В соответствии с целью работы были определены задачи исследования: провести исследование математических моделей транзитных воздуховодов произвольной длины с указанными конструктивными особенностями с учетом трения и без учета трения;

- на базе теоретического исследования математических моделей разработать алгоритмы численного расчета основных характеристик этих воздуховодов:

- разработать необходимое программное обеспечение для персональных компьютеров типа IBM PC. с помощью которого можно вести эффективный расчет характеристик воздуховодов;

- провести соответствующие экспериментальные исследования с целью проверки результатов, полученных аналитическим и численным путем;

- разработать методику инженерного расчета указанных воздуховодов.

Научная новизна исследования.

В процессе выполнения исследований в рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

- развита теоретическая схема параметрического представления решения краевой задачи для математической модели приточных и вытяжных транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и щели;

- установлены свойства общего решения для указанной краевой задачи;

- впервые аналитически найдены частные решения краевой задачи, имеющие, как показано в работе, важное значение для построения численного решения общей задачи;

- впервые найдено аналитическое выражение для предельного значения безразмерной скорости потока в дальнем открытом конце транзитного воздуховода с указанными конструктивными особенностями;

- разработаны эффективные алгоритмы для численного расчета характеристик транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и щели или канала и боковых отверстий.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

На основе разработанных в диссертации алгоритмов решения краевой задачи для математической модели транзитных воздуховодов создано программное обеспечение для персональных компьютеров типа IBM PC, позволяющее в режиме диалога с пользователем эффективно вычислять основные характеристики приточных и вытяжных воздуховодов со щелью и отверстиями.

Программное обеспечение разработано с помощью современной и, в то же время, доступной для непрофессионалов среде программирования QBASIC, что позволяет пользователю адаптировать программные модули как к особенностям задания параметров воздуховодов, так и к форме представления результатов расчета.

Полученные в работе результаты, в силу универсальности рассмотренной основной математической модели, могут использоваться для решения задач расчета распределения потока вдоль каналов с путевым расходом, возникающих во многих областях науки, техники и промышленного производства.

Разработанная методика инженерного расчета позволяет просто и с достаточной для практических нужд точностью рассчитать все параметры проектируемого воздуховода.

Методика и программы расчета, разработанные в диссертации, приняты к использованию Озерским хлопчатобумажным комбинатом, Егорьевским хлопчатобумажным комбинатом и Клинским производственным объединением «Химволокно».

Они также используются в учебном процессе кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности РосЗИТЛП.

Обоснованность научных положений, выводы и рекомендации

При разработке математической модели за основу взята хорошо проверенная физическая модель явления по Баулину К. К. с допущениями о постоянстве коэффициента сопротивления трения, коэффициента расхода и постоянного статического давления в поперечном сечении воздуховода. В качестве исходных для случаев раздачи воздуха использованы уравнения Бернулли, уравнения расхода и формула истечения, для случая всасывания - уравнение количества движения, уравнение расхода и формула истечения. Правомерность использования этих уравнений для решения подобного рода задач доказана работами многих авторов, таких как Баулин К.К., Иванов Г.М. Талиев В.Н. и другие.

Расчет ведется по статическим давлениям, что позволяет значительно упростить задачу, но при этом не повторять точности расчетов, что подтверждено исследованиями многочисленных авторов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры экологии и БЖД Российского заочного института текстильной и легкой промышленности, кафедры процессов и аппаратов 8 химической технологии Московского государственного текстильного университета им. А.Н.Косыгина, Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва, 1998), республиканских и областных научно-технических конференциях, Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирский государственный университет, 1999).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель для приточных и вытяжных транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и боковой щели.

2. Получено параметрическое решение основной математической модели и установлены аналитические свойства общего и частных решений, соответствующие физическим свойствам процессов истечения (или всасывания) из щели транзитного воздуховода.

3. Впервые в рамках рассматриваемой модели, получено аналитическое выражение для предельного значения относительной скорости ^потока воздуха (конечное или начальное значение скорости потока в зависимости от процесса раздачи или вытяжки воздуха).

4. Для транзитных воздуховодов с боковыми отверстиями проведена аналитическая оценка аппроксимации реккурентных соотношений между значениями скоростей потока для отверстий, с помощью решения математической модели для воздуховодов со щелью с постоянными параметрами канала и щели.

5. Установлено, что при числе боковых отверстий более 10 расчеты с приемлемой точностью можно проводить на основе решения математической модели для воздуховодов со щелью с постоянными параметрами канала и щели.

6. На основе общих решений получены конечные формулы для частных случаев транзитных воздуховодов малой длины и гладких стенок.

7. Получены новые результаты для случая транзитных воздуховодов постоянного сечения с переменным коэффициентом сопротивления трению.

8. Разработаны численные алгоритмы и программное обеспечение для персональных компьютеров типа IBM PC , обеспечивающие

1. Батурин В.В. К вопросу о равномерной раздаче воздуха в нормальном направлении к оси воздуховода. Отопление и вентиляция., №5, 1933.

2. Баулин К.К. Исследование равномерной раздачи воздуха из прямых трубопроводов. Отопление и вентиляция., №7, 1934.

3. Иванцов Г.П. Теория распределительных каналов. Справочник конструктора печей под ред. Грум-Гржимайло Ю.В. ОНТИ, НКТП, 1935.

4. Баулин К.К. О равномерной раздаче воздуха из трубопроводов. Отопление и вентиляция., №5-6, 1937.

5. Шепелев И.А. Расчет прямоугольных воздуховодов равномерной раздачи по методу инж. Баулина К.К. Отопление и вентиляция., №4-5, 1938.

6. Сорокин Н.С. Аэродинамическое исследование вентиляционных каналов на моделях. Отопление и вентиляция., № 11-12, 1939.

7. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции 4-е изд. - М; Профиздат, 1990 - 448 с.

8. Сорокин Н.С. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха на текстильных предприятиях. -М; изд. Легкая индустрия, 1974.

9. Талиев В.Н. Расчет воздуховодов с непрерывной и равномерной раздачей воздуха. Отопление и вентиляция., № 4-5, 1940.

10. Талиев В.Н. Расчет клиновидного воздуховода с продольной щелью и равномерной раздачей воздуха. Отопление и вентиляция., №9, 1940.

11. Талиев В.Н. Упрощенный метод расчета воздуховодов постоянного сечения. Отопление и вентиляция., №2, 1941.

12. Максимов Г.А. Равномерное распределение воздуха в установках промышленной вентиляции и расчет воздуховодов, работающих с переменным расходом. Труды Ленинградского научно-исследовательского института гигиены труда. т.Х., ч. 1, 1947.

13. Максимов Г.А. Расчет вентиляционных воздуховодов. Л.-М: Гос. изд. лит. по строит, и архитектуре, 1952. - 140 с.

14. Лобаев Б.Н. Теоретические основы расчета трубопроводов систем вентиляции: Сб. трудов IV сессии АН УССР, Киев, 1962.

15. Лобаев Б.Н. Аэродинамический расчет воздухопроводов систем вентиляции. -М.: Изд. МДНТП, 1967.

16. Шепелев И.А. Расчет каналов постоянного сечения для равномерного распределения воздуха. «Вентиляция промышленных и сельскохозяйственных зданий». № 9, -М: Госстройиздат, 1961.

17. Прохоров В.И. «Воздуховоды равномерной раздачи с отделителями потока. Кондиционирование воздуха: Труды НИИСТ, сб. 15. Госстройиздат, М., 1963.

18. Шевчук Ю.И. Расчет воздухораспределителей постоянного статического давления с шероховатыми стенками. «Теплогазоснабжение и вентиляция» Тезисы докладов. Киев, 1966.

19. Шевчук Ю.И. Исследование воздухораспределителей постоянного статического давления, рассчитанных по методу проф. Б.Н.Лобаева. Санитарная техника вып.Ш, Киев, 1966.

20. Шевук Ю.И. Аналитические и экспериментальные исследования вентиляционных воздухораспределителей с равномерной попутной раздачей воздуха через прямоугольные отверстия. Автореф. дисс.канд.т. наук. Киев. 1969.

21. Дудинцев Л.М. Аэродинамическое исследование раздачи воздуха через перфорированный потолок. Автореф.дисс.к.т.к. -М., 1961.

22. Дудинцев Л.М. Расчет воздухораспределителей постоянного сения с учетом неравномерности коэффициента расхода: сб. «Теплогазоснабжение и вентиляция», Киев, 1969.

23. Кащеев В.А. Расчет воздухораспределителей постоянного статического давления с непрерывным попутным расходом: сб. «Теплогазоснабжение и вентиляция», Киев, 1967.

24. Кащеев В.А. Исследование каналов постоянного статического давления:сб. «Теплогазоснабжение и вентиляция», Клев, 1969.

25. Кащеев В.А. Исследование воздухораспределителей постоянного статического давления. Изд.вузов. строительство и архитектура. №3, 1970.

26. Дильман В.В., Сергеев С.П., Генкин В.С. Описание движения потока в канале с проницаемыми стенками на основе уравнения энергии. Теоретич. оновы хим.технолог., т.5, №4, 1971.

27. Идельчик И.Е., Штейнберг Н.Е. К вопросу о методах расчета распределения потока вдоль каналов с путевым расходом. Теоритич. основы хим. технолог., т.6, №4. 1972.

28. Штейнберг Н.Е. Идельчик И.Е. Исследование гидравлического сопротивления коллекторов переменного сечения. Промышленная и санитарн. очистка газов., №4. 1972.

29. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. 2-е изд., -М% Госстройиздат, 1963, 340 с.

30. Шепелев И.А., Васильева Л.С., Степаньянц В.М. К расчету каналов для равномерной раздачи воздуха. Труды ЦНИИПромиздание, вып. 19, М., 1971.

31. Шепелев И.А., Васильева Л.С. К расчету каналов для равномерной раздачи воздуха. Труды ЦНИИПромиздание, вып.26. М., 1972.

32. Бейгин Г.С., Бродский А.П. Расчет воздуховодов равномерного распределения воздуха с продольной щелью постоянной ширины. Водоснабжение и санитарная техника, №3, 1972.

33. Осодоева Э.М. Приближенная равномерная раздача воздуха конусным воздуховодом с продольной щелью неизменной ширины. Изд.вузов, Строительство и архитект, №4, 1973.

34. Талиев В.Н., Лебедев Г.О. Раздача воздуха конусным воздуховодом с отверстиями одинаковых размеров. Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности, №4. 1977.

35. Лебедев Г.О. Раздача воздуха конусным воздуховодом с продольной щелью постоянной ширины, водоснабжение и санитарная техника. №12, 1977.

36. Лебедев Г.О. Экспериментальное исследование коэффициента расхода при истечении воздуха из бокового отверстия воздуховода. Известия ВУЗов. Строительство и архитектура, №8. 1977.

37. Цирекидзе Т.В. Раздача воздуха клиновидным воздуховодом с боковыми отверстиями одинаковых размеров. Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности. №1, 1979.

38. Талиев В.Н. Потери давления в суживающихся конусном и клиновидном воздухопроводах. Изд.ВУЗов, Строительство и архитектура. №4, 1973.

39. Цирекидзе Т.В. Исследование и разработка системы равномерной подачи вторичного газа в тепло-массообменные аппараты с встречными закрученными потоками. Автореф. диссерт. к.т.н. -М. 1979. -26 с.

40. Лебедев Г.О. Раздача воздуха конусными воздуховодами с продольной щелью постоянной ширины или с боковыми отверстиями одинаковых размеров. Автореф. дисс. к.т.н. -М., 1980. -20 с.

41. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. -М. Стройиздат. 1979. 295 с.

42. Талиев В.Н., Осодоева Э.М. Раздача воздуха воздухопроводом постоянного сечения с продольной целью неизменной ширины. Воздухораспределение: Материалы семинара МДНТП. М., 1974.

43. Талиев В.Н., Алтынова А.Л. Всасывание воздуха воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины при наличии транзитного расхода и без учета трения. Изд. -ВУЗов, строительство и архитектура, №1, 1983.

44. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. -М: Машиностроение, 1983. -351 с.

45. Фомичев В.И. Вентиляция тоннелей и подземных сооружений. -Л.: Стройиздат, 1991.- 201 с.

46. Ventilation 94. Proc. of the 4-th international symp. on ventilation for contaminant control. Sept. 5-6, Stochholm, 1994.

47. Самарский А.А. Михайлов А.П. Математическое моделирование. -M.: Наука, 1997, -320 с.

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1973, 831с.

49. Талиев В.Н. Всасывание воздуха воздухопроводом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров. //Изв.вузов Строит, и архитектура, №6, 1977.

50. Бородянский Н.А. Исследование приточных железобетонных воздухораспределителей с раздачей воздуха через поперечные щели. //Санитарная техника, отопление и вентиляция, Киев, вып.1, 1965.

51. Поспелов Ю.И. Расчет воздухораспределителей постоянного сечения с отверстиями. //Изв.вузов, строит, и архитектура, №2, 1968.

52. Талиев В.Н. Раздача воздуха воздухопроводом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров.: Межвузов, сб. «Отопление и вентиляция», Иркутск, 1976.

53. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. -М.: Наука, 1989, -430 с.

54. Лежава И.Д. Раздача воздуха воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины при наличии транзитного расхода и без учета трения // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности, 1979, №5.

55. Лежава И.Д. Раздача воздуха воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины при наличии транзитного расхода // Труды Грузинского политехнического института, Тбилиси, 1979, №4 (214).

56. Талиев В.Н., Лежава И.Д. Раздача воздуха воздуховодом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров при наличии транзитного расхода. // Гидромеханика и теплопередача в санитарно-техн. устр. Межвуз. сб. Казань, 1980.

57. Лежава И.Д. Всасывание воздуховодом постоянного сечения с боковыми отверстиями одинаковых размеров при наличии транзитного расхода. // Научные тр. Грузинский политехнич.институт, Тбилиси, 1981, №10 (242).

58. Талиев В.Н., Лежава И.Д. Раздача воздуха воздуховодом постоянного сечения с продольной щелью неизменной ширины при наличии транзитного расхода. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 1983, №2.

59. Лежава И.Д. Инженерные расчеты воздуховодов постоянного сечения с транзитным расходом. Материалы областной научн.-техн.конф., Иваново, 1983.

60. Лежава И.Д. и др. Расчет приточных и вытяжных воздуховодов текстильных машин при постоянных параметрах щели и канала. // Оборудование для текстильной промышленности, М. 1985, №7.

61. Лежава И.Д. и др. Организация воздухообмена в цехах камвольных предприятий. Материалы республиканской научн.-техн.конф., ГрузНИИТП, Тбилиси, 1986.

62. Лежава И.Д. Использование микро-ЭВМ для расчета приточных воздуховодов постоянного сечения. Материалы научно-методической конференции по проблемам высшего заочного образования. М., 1993.

63. Лежава И.Д., Углов В.А., Митихин В.Г. Математическое моделирование приточных и вытяжных транзитных воздуховодов с постоянными параметрами канала и щели. // Наука в высшей школе, Межвуз. сб. научн.тр., М., 1998, Вып. 2.1.

64. Для вычисления интегралов необходимо разложить в (1) и (2) подынтегральные дроби на элементарные.