Динамика двухфазного течения в вихревых аппаратах, предназначенных для комплексной очистки газовых выбросов энергетических установок, работающих на твердом топливе. Часть II Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.928.3

ДИНАМИКА ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ. ЧАСТЬ II

Представлены результаты экспериментального изучения гидравлического сопротивления вихревых аппаратов в широком диапазоне изменения нагрузок по фазам и степени крутки потока.

В первой части работы были представлены экспериментальные результаты исследования профилей осевой и тангенциальной составляющих скорости газа по сечению и длине вихревых аппаратов, выявлена их зависимость от величины крутки потока А и соотношения нагрузок по фазам Ьт/От , рассмотрена

проблема масштабирования вихревых аппаратов, а также предложены аппроксимационные выражения для расчета поля скоростей.

Вместе с тем, одной из важнейших характеристик аппаратов является их гидравлическое сопротивление или потери давления на организацию взаимодействия фаз в аппарате.

В аппаратах вихревого типа общая потеря давления складывается из потери давления в завихрителе потока на формирование вращательного движения газа и потери давления в рабочей зоне аппарата.

Использование для закрутки газового потока тангенциально-лопаточного завихрителя вызвано его преимуществом, заключающимся в возможности снижения гидравлического сопротивления при подаче в его внутреннюю область

давления, рг - плотность газа, Wвх - скорость газа в щелях завихрителя. Этот эффект для завихрителей потока без диафрагмирования был выявлен в работе [1]. Аналогичный эффект был ранее выявлен в циклонных топках и вихревых камерах с сильным диафрагмированием [2,3].

Максимальное снижение величины гидравлического сопротивления приходится на отношение массовых расходов жидкости и газа в диапазоне 0,5 - 1,0 кг/кг. Дальнейшее увеличение ^т/От ведет к постоянному повышению гидравлического сопротивления, которое при некотором значении Lm|Gm начинает превосходить величину гидравлического сопротивления неорошаемого завихрителя. Интервал значений Lm|Gm , при котором наблюдается эффект снижения сопротивления и степень его снижения, зависят от величины коэффициента крутки завихрителя.

Выявленный эффект объясняется особенностями гидродинамической обстановки в тангенциально-лопаточных завихрителях. Жидкость, подаваемая в завихритель, дробится вращающимся газовым потоком на капли, которые под действием центробежной силы перемещаются к периферии и оседают на поверхности лопастей, образуя пленку, которая срывается с внутренней кромки

Д.Н. ЛАТЫПОВ, А.Н. НИКОЛАЕВ

небольшого количества жидкости, рис.1,

где Ар - перепад

© Д.Н. Латыпов, А.Н. Николаев Проблемы энергетики, 2003, № 5-6

лопастей, вновь дробится на капли. В результате в периферийной зоне завихрителя образуется вращающийся капельный слой, который и является основной причиной снижения гидравлического сопротивления завихрителя.

Рис.1. Отношение коэффициентов сопротивления орошаемого и сухого завихрителей.

A: 1 - 0,5; 2 - 0,66; 3 - 0,91; 4 - 1,85

Качественное объяснение этого явления, данное в работе [1], заключается в том, что при увеличении расхода жидкости происходит, с одной стороны, снижение крутки потока и затрат на ее организацию, а с другой стороны, увеличение энергетических затрат на транспорт капель жидкости, причем при небольших расходах жидкости снижение энергозатрат, расходуемых на крутку потока оказывается значительнее, чем увеличение энергозатрат на транспорт и дробление жидкости. Вместе с тем, наблюдаемый эффект в определенной степени может быть вызван частичным гашением турбулентных пульсаций газового потока каплями жидкости. Заметное влияние тонкодисперсной фазы на снижение гидравлического сопротивления за счет частичного гашения турбулентности несущего потока подтверждается многочисленными работами, обзор которых представлен в [4].

Максимальное значение Lm|Gm , при котором проявление эффекта снижения гидравлического сопротивления завихрителя становится незначительным, определяется соотношением

( /Gm= 6^^0,92/А). (1)

Определение потерь давления в рабочей зоне вихревого аппарата осложняется тем, что статическое давление в закрученном потоке газа переменно по радиусу. Продольное изменение статического давления в рабочей зоне аппарата может быть выражено через изменение величины среднего по сечению аппарата статического давления

Я

2п$ р№г тйт

Рср =~^2---------, (2)

пЯ^Ср

где р - локальное значение давления; Wг - локальное значение осевой компоненты скорости газа; ^Ср - среднерасходная скорость; Я - радиус аппарата.

Результаты представлялись в виде разницы относительного среднего давления в сечении на выходе из завихрителя рср0 и относительного среднего

давления в текущем сечении аппарата рср :

— — 2(рср0- рср)

Р ср0 - рср =----~г------------------------------------------------------• ( )

Рг^вх

При вычислении перепада давления в рабочей зоне аппарата использовались экспериментальные профили изменения статического давления по радиусу аппарата в сечениях при различном удалении от завихрителя (рис.2). Обработка результатов показала, что потери давления при постоянных значениях соотношения нагрузок по фазам Lm|Gm увеличиваются линейно по всей длине

рабочей зоны аппарата, а градиент статического давления по длине зависит от коэффициента крутки (рис. 3). При небольшой величине соотношения нагрузок по жидкости и газу в рабочей зоне аппарата также проявляется, хотя и в меньшей степени, чем в завихрителе, эффект снижения энергозатрат, что связано, по-видимому, с более низкой плотностью орошения в единице объема аппарата. Отмеченный эффект в рабочей зоне аппарата достигается при Lm|Gm < 0,5

(рис.4). Относительный перепад давления в рабочей зоне аппарата при постоянном значении соотношения нагрузок по фазам не зависит от среднерасходной скорости газа.

Рис.2. Радиальные профили статического давления в вихревом аппарате в условиях двухфазного потока: диаметр аппарата 100 мм; А = 2,17; расстояние от завихрителя 2,85 диаметров аппарата; Ьт/Ст: 1 - 0; 2 - 0,4; 3 - 0,8; 4 - 1,6; Wвх, м/с: а - 15; б - 30; в - 40

Рс.р(ТРср

0,8

0,6

0,4

0,2

у 3

У У

с/ у 2

У У 1

0

2

4

6

8

I /а

Рис. 3. Изменение перепада статического давления в вихревом аппарате в зависимости от отношения расстояния от завихрителя к диаметру аппарата: диаметр аппарата 100 мм; А: 1 - 2,17; 2 - 1,35; 3 - 0,98

Рис.4. Зависимость коэффициента сопротивления рабочей зоны вихревого аппарата от соотношения нагрузок по жидкости и газу: диаметр аппарата 100 мм; А = 2,17; расстояние от завихрителя 2,85 диаметров аппарата; Wbx, м/с: 1 - 20; 2 - 25; 3 - 30; 4 - 35; 5 - 40

Summary

The results of an experimental study of a vortex type device pressure resistance in a wide range ofphase discharges and vortex ratio are presented.

Литература

1. Овчинников А.А., Николаев Н.А. Аэродинамика двухфазного потока в массообменном аппарате с вихревыми контактными ступенями // Изв. вузов. Химия и хим. Технология, 1976.- Т.19.- № 1.- С. 130-133.

2. Кнорре Г.Ф., Арефьев К.М., Блох А.Г. и др. Теория топочных процессов. М.- Л.: Энергия, 1966.- 491 с.

3. Гольдштик М.А. Вихревые потоки.- Новосибирск: Наука, 1981.- 368 с.

4. Zakharov L.V., Ovchinnikov A.A., Nikolaev N.A. Modelling of the effect of turbulent two-phase flow friction decrease under the influence of dispersed phase elements // Int. J. Heat and Mass Transfer.- 1993.- V.36.- № 7.- P. 1981-1991.