Энергетические характеристики двухтактного поршневого акустического нагнетателя газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 622.276

Ю. Ф. Коротков, О. В. Козулина, М. Г. Кузнецов, А. Н. Николаев

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХТАКТНОГО ПОРШНЕВОГО АКУСТИЧЕСКОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗА

Ключевые слова: акустический нагнетатель, производительность, мощность, энергоэффективность, КПД,

энергосбережение.

Рассмотрен двухконтактный поршневой акустический нагнетатель газа и определены его энергетические характеристики. Показано, что на энергоэффективности и энергосбережению двухконтактный поршневой акустический нагнетатель лучше любого другого нагнетателя газа, работающего в стационарном режиме.

Keywords: Acoustic supercharger, productivity, capacity, power efficiency, efficiency, power savings.

The double-contact piston acoustic supercharger of gas is considered and its energetic characteristics are defined. It is shown that on power efficiency and to power savings the double-contact piston acoustic supercharger is better than any other supercharger of the gas working in a stationary mode.

Устройство и работа двухтактного поршневого акустического нагнетателя (далее двухтактный ПАН) рассмотрены в [1]. Двухтактный ПАН по сравнению с однотактным обладает более высокой энергосберегающей способностью.

В двухтактном ПАН находящийся в общем цилиндре поршень колеблется по отношению к присоединенным к цилиндру с обоих концов трубам в противофазе, а вылетающие из противоположных концов труб газовые струи пересекаются под небольшим углом. Такое движение газовых струй обеспечивает непрерывное поступление газа в бокс за счет инжекции.

Энергетическими характеристиками

двухтактного ПАН, как и однотактного, являются мощность, энергоэффективность, коэффициент полезного действия и энергосбережение.

Производительность двухтактного ПАН будет в два раза выше производительности однотактного ПАН, что можно записать уравнением [2]:

= 201 = 2Ьг1Со8, (1)

где Ь - параметр, равный для случая

V,

высокочастотных колебаний поршня 0,436; г, = —-

Со

- безразмерная амплитуда колебаний скорости газа (здесь: V, - амплитуда колебаний скорости газа на выходе из трубы; Со - скорость звука в невозмущенной среде); 8 - площадь поперечного сечения трубы.

Вводимая в двухтактный ПАН поршнем мощность может быть рассчитана по уравнению:

N = 2^ = Ы^роС^сИр,, (2)

где N1 - мощность, вводимая поршнем в однотактном ПАН [3]; ро - плотность невозмущенного газа; Р1 - параметр, определяемый по формуле [4]:

Pi = ШГ, + b2r10,6 ,

(3)

здесь т - универсальная константа, равная для высокочастотных колебаний поршня о,336; Ь2 - параметр, который является сложной функцией, зависящей от резонансной частоты колебаний, длины трубы и ее радиуса.

Энергоэффективность двухтактного ПАН можно оценить критерием, рассчитываемым по формуле:

~ * 01

к, =-

N

1

или по формуле [5]:

4

K, = 2 1 % РоФ

(4)

(5)

у

где Ьу - эффективная длина двухтактного ПАН; £ У - эффективная амплитуда смещения поршня.

Производительность любого другого нагнетателя, работающего в стационарном режиме, равна:

02 = , (6) где "2 - средняя по сечению трубы скорость газового потока.

*

Если предположить, что 01 = 02 и, следовательно, Ц = "1, то из (1) имеем:

и2 = 2Ьг1Со . (7)

Вводимая в любой другой неакустический нагнетатель мощность расходуется на преодоление сил сопротивления трубы и на генерацию газовой струи.

Расход мощности N27 на преодоление сил сопротивления трубы и N28 на генерацию газовой струи, соответственно, равны:

N27 = Р2^, (8)

N28 =-

Рои328

2

где Ро , Р2 - давление на выходе и на входе трубы нагнетателя.

В турбулентном потоке давление Р2 можно вычислить по формуле [6]:

Рои2

ь

Р2 -Т2

2 ¿2

(9)

и диаметр трубы

2

где Ь2, ¿2 - длина неакустического нагнетателя; £ - коэффициент гидравлического сопротивления.

Энергоэффективность неакустического нагнетателя газа определяется соотношением:

о

(10)

К2 =-

2

N2

где N2 = N27 + N28 - суммарный расход мощности. С учетом (1), (6), (7) получим уравнение:

К2 =-^--, (11)

Рои2

( \

1 + | ь2 ¿2

Коэффициент £ зависит от состояния внутренней стенки трубы. В случае гладких труб, согласно закону Блазиуса [6], имеем:

£= 0,3164 - Яе"0,25, (12)

- число Рейнольдса (здесь: V -

где Яе =

и9а

2и2

коэффициент кинематической вязкости).

Для технических труб с зернистой

шероховатостью

ьий6

V

> 70 (здесь: И - высота

шероховатости стенки трубы; касательных напряжений)

ийб

- скорость имеет место

соотношение:

£ = | 0,881п^ +1,74

2

(13)

где Я - радиус трубы нагнетателя.

Расчеты энергоэффективности нагнетателей произведены для трубы, имевшей Я = 0,022 м и Ь = (3-8) м. Параметр «Ь» для случая высокочастотных колебаний поршня равен 0,436 [2].

На рис. 1 показано влияние эффективной длины трубы на энергоэффективность нагнетателей.

Можно заключить, что

энергоэффективность как двухтактного ПАН, так и обычного нагнетателя газа растет с увеличением длины трубы. Энергоэффективность двухтактного ПАН выше, чем обычного нагнетателя, у которого она падает с ростом высоты шероховатости. Так,

Я

при — = 500 для обычного нагнетателя его И

энергоэффективность в 2 раза ниже энергоэффективности двухтактного ПАН.

К.-10'

3 4 5 6 7 8 ц,м Рис. 1 - Зависимость К от Ьэ: 1 - двухтактный ПАН; 2-4 - нагнетатель, работающий в стационарном режиме; 2 - гладкая труба; 3 -

о о

— = 500 ; 4--= 100

И И

Что касается КПД сравниваемых двухтактного ПАН и нагнетателя, работающего в стационарном режиме, то в работе [2] показано, что

П1> "П2.

Энергосберегающую способность

двухтактного ПАН можно оценить критерием Е, представляющим собой отношение затрачиваемых мощностей двухтактного ПАН и любого другого нагнетателя газа. Если для сравнения взять поршневой компрессор, то критерий Е можно вычислить по формуле:

МрОИР!

Е = -

4| 2£| +1|-г12Ь3

(14)

где М р - параметр, рассчитываемый по формуле [4].

*

N1

Результаты расчета Е = —— для Ь = 0,436,

N2

Я = 0,022 м, Ь = 3 м и Мр = 0,033 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Я 100 200 300 400 500

Е 0,264 0,281 0,292 0,3 0,306

Из таблицы 1 видно, что при применении шероховатых труб энергосберегающая способность двухтактного ПАН в три с лишним раза выше энергосбережения любого другого нагнетателя газа, работающего в стационарном режиме. Можно также отметить рост критерия Е при увеличении высоты шероховатости И.

Литература

1. А. с. 1346855 СССР, МКИ Е 04 Е 7/00. Нагнетатель газа /Ф.Ю. Коротков, Р.Г. Галиуллин, В.Н. Подымов, Ю.Ф. Коротков (СССР). - № 3969616; заявл. 25.10.85; опубл. 23.10.87, Бюл. № 39. - 3 с.

V

2. Коротков Ю.Ф., Ермаков Р.А., Зиятдинов РХ., Архипов В.П., Галиуллин Р.Г., Николаев А.Н. Оценка энергосберегающей способности поршневого акустического нагнетателя газа //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т.15, № 9. - С. 172-174.

3. Кузнецов М.Г., Ермаков Р.А., Галиуллин Р.Г., Козулина О.В., Овчинников А.А., Ларионов В.М. Расчет энергоэффективности поршневого акустического нагнетателя газа //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 15, № 2. - С. 25-27.

4. Коротков Ю.Ф., Козулина О.В., Кузнецов М.Г. Резонансные колебания пульсирующих течений //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 3. - С. 146-152.

5. Ермаков Р.А., Ермаков Р.А., Садыков А.Ф., Галиуллин Р.Г., Ларионов В.М. Оценка энергоэффективности нагнетателя газа, выполненного на базе акустического резонатора //Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010.

6. Ландау Л.Д, Лифшиц Е. Ф. Гидродинамика - М.: Наука, 1986. - 720 с.

© Ю. Ф. Коротков - к.т.н., доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, [email protected]; О. В. Козулина -к.т.н., доц. той же кафедры; М. Г. Кузнецов - к.т.н., доц. той же кафедры; А. Н. Николаев - д-р тех. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.