CC BY
49
УДК 621.527
ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАСЧЕТ ЭЖЕКЦИОННОГО ПНЕВМОЗАТВОРА
Е.К. СПИРИДОНОВ, Е.А. ГРИШИНА, А.В. ПОДЗЕРКО
(Южно-Уральский государственный университет)
Представлена расчетная модель и даны основные характеристики энерционного пневмозатвора. Разработан метод выбора пневмозатвора с минимальным энергопотреблением.
Ключевые слова: пневмозатвор, газодинамика, струйные течения, эжекционные аппараты, характеристики, расчет параметров.
Введение. На многих предприятиях остро стоит экологическая проблема токсичных выбросов продуктов реакций в окружающую среду. Одним из способов решения проблемы может являться использование пневматических запирающих устройств (пневмозатворов), обладающих высокой надежностью и производительностью.
Основная часть. На рис.1 приведена схема типового реактора с боковой загрузкой твердого сыпучего вещества. Избыточное давление, возникающее в реакторе в процессе работы, способствует появлению вредных выбросов в окружающую среду через канал загрузки. Установка пневмозатвора на узле загрузки позволит предотвратить вынос вредных газов в помещение цеха [1].
Продукты син теза
Твердые отходы
Сырье
Р5>Ра
Выброс
'•.'. •'.'l/'-L- '•'.• 1 агрессивного
'/?TTi?/f> ^ 'I
Воздух
Рис. 1. Печь с противодавлением
В данной статье представлены расчетная модель и основные характеристики эжекционно-го пневмозатвора. В качестве исходной была принята схема газового струйного аппарата с центральным сверхзвуковым соплом (рис.2). Основным параметрам потока (абсолютные давление р и температура Т, плотность р, средняя скорость потока V, площадь А) присваиваются индексы, соответствующие номеру сечения на рис.2.
Приемная камера Диффузор
0 I 3
2
m,
.4
3
'4
Рабочая камера
* Канал подвода активного воздуха
Рис.2. Расчетная схема эжекционного пневмозатвора
В зависимости от противодавления в реакторе р5 возможны различные режимы работы пневмозатвора [1]. В качестве расчетного был принят режим, при котором противодавление со стороны рабочей камеры достигает предельного значения (р5 = рпр), эжектирование газа со стороны патрубка загрузки прекращается, и поступление сырья в реактор осуществляется под действием силы тяжести. На этом режиме перепад давлений, развиваемый аппаратом, достигает максимального значения. Преобразуя типовую характеристику газового инжектора [2] в соответствии с указанными условиями, получаем:
= = Щ *О*Р Р2 Р2 Р2
( 1 >
Ф0Ф3А,о -8*
^ - 0,5
Ф4
а
/
(1)
В этом выражении относительная площадь горловины сопла О* = А*/А3 - основной геометрический параметр эжекционного пневмозатвора; ф0, ф3 и ф4 - коэффициенты скорости сопла, рабочей камеры и диффузора (при гидравлически совершенном исполнении элементов проточной части ф0=0,95; ф3=0,875; ф4=0,81); П*, е* - критические значения газодинамических функций давления и плотности; к- постоянная адиабаты. Для воздуха П* = 0,528; е*=0,634, £=1,4.
Удельный массовый расход активного воздуха в расчете на единицу площади смесительной камеры в соответствии с уравнением неразрывности [2] имеет вид:
т кП
-О* рх, (2)
А3 V*
где критическая скорость газового потока:
V = !2 кт
к+1 . (3)
Подставляя в уравнения (1) и (2) числовые значения коэффициентов скорости ф, постоянной адиабаты к, газодинамических функций е* и П*, принимая во внимание уравнение состояния совершенного газа и формулу (3), получаем после преобразования систему уравнений:
0,615 ОД0 Р - 0,344 а2-^^-Р5—Р2 = 0; (4)
Р2 Р2 Р5 Т1 Р2
т = 0,04 О*Р1. (5)
Аз л/ГТ
Уравнения (4) и (5) являются аналитическим выражением характеристики эжекторного пневмозатвора, устанавливающим зависимость относительной площади горловины сопла О* и удельного расхода воздуха т1/А3 от абсолютных давления в приемной камере пневмозатвора р2, противодавления р5 и температуры активного воздуха ТТ.
Некоторые результаты расчетов по уравнениям (4) и (5) представлены на рис.3 в виде графиков зависимости массового расхода активного воздуха тТ от температуры перед соплом ТТ при различных площадях горловины сопла А* и давлениях питания рТ. При этом в качестве расчетных были приняты следующие условия работы пневмозатвора: диаметр смесительной камеры (загрузочной трубы) D3 = 300 мм; максимальное абсолютное давление на выходе аппарата р5=115 кПа; абсолютное давление в приемной камере р2=100 кПа.
Из графиков видно, что с увеличением температуры воздуха перед соплом 7 существенно снижаются массовые расходы эжектора т1 и, следовательно, повышается экономичность пневмозатвора. Таким образом, целесообразно использовать энергию тепла, выделяющегося в реакторе. Это позволяет конструктивная схема аппарата, приведенная на рис. 4 [3]. Особенностью данной конструкции является подвод активного газа со стороны реактора через кольцевой зазор между
V
корпусом и камерой смешения с одновременным подогревом. Кроме того, кольцевой подвод активного газа снижает износ проточной части аппарата твердой фракцией эжектируемой смеси.
450 550 650 750 850 Т1, К
Рис.3. Зависимость массового расхода активного воздуха от температуры
Исследование удобнее проводить, используя безразмерные характеристики, а к размерным параметрам переходить на этапе профилирования проточной части аппарата.
Для получения безразмерной характеристики введем следующие параметры: £12=Р1/р2 - степень падения давления на сопловом устройстве; £52=р5/р2 - степень повышения давления пассивного потока; ¥т=Т5/Тт - соотношение температур.
После подстановки в уравнение (4) получаем:
8 2
0,6150Л0812 - 0,34402 —12- 852 +1 = 0. (6)
852
Результаты расчета относительной площади сопла О* для воздуха (£=1,4; R=287 Дж/кг-К) при одинаковых температурах активного газа и смеси в реакторе (¥Т =1), различных значениях степени падения давления на сопловом устройстве е12 и степени повышения давления пассивного потока е52 показаны в виде семейства кривых на рис.5.
Влияние соотношения температур смеси в реакторе и активного газа на зависимость относительной площади сопла О* от степени падения давления е12 при различных значениях е52 пока-
45
Рис.4. Эжекционный пневмозатвор с кольцевым соплом (пат. № 90547)
зано на рис.6. При этом в каждой группе графиков (при одинаковом е52) нижняя линия соответствует значению ¥Т=1, средняя линия - ¥Т=2, а верхняя - ¥Т=3.
Рис. 5. Влияние противодавления на безразмерную характеристику пневмозатвора
Рис.6. Влияние относительной температуры активного воздуха на характеристику пневмозатвора при нескольких £52
Из графиков на рис.6 видно, что при постоянном падении давления на сопловом устройстве е12 повышение температуры Т5 в реакторе вызывает увеличение площади проходного сечения горловины сверхзвукового сопла А*, что можно объяснить ббльшим потребным расходом активного воздуха.
Вместе с тем при постоянных размерах элементов проточной части (площади горловины сопла А* и площади смесительной камеры А3) увеличение температуры в реакторе Т5 требует повышения давления питания р1.
Вышеприведенные зависимости могут служить основой для расчета ключевых геометрических показателей струйного пневмозатвора. Используя параметры воздуха в линии питания р1, Т и газа в реакторе р5, Т5 в качестве исходных, на основании уравнений (4)-(6) и графиков на рис.5 и 6 можно аналитическим или графическим путем рассчитать относительную площадь сопла. Приняв в первом приближении диаметр смесительной камеры D3 равным диаметру патрубка загрузки, можно рассчитать площадь критического сечения сверхзвукового сопла. Далее определяются величина массового расхода активного газа т1, а также площадь выходного сечения сверхзвукового сопла А0 (с использованием газодинамических функций). Осевые размеры основных элементов пневмозатвора (сопла, камеры смешения, диффузора) определяются по традиционным методикам для газовых эжекторов [2, 4, 5].
В качестве примера рассмотрим исходные параметры, соответствующие условиям работы типового химического реактора: диаметр загрузочной трубы, равный диаметру смесительной камеры, D3=300 мм, максимальное абсолютное давление в реакторе р5=115 кПа, барометрическое давление в помещении цеха р2=100 кПа.
Результаты расчета массового расхода активного воздуха т1 и площади горловины сопла А* при нескольких давлениях питания р1 и температуре Т1=673 К активного воздуха перед соплом пневмозатвора представлены в таблице.
Результаты расчета массового расхода воздуха перед соплом пневмозатвора
Давление питания pi, кПа Площадь критического сечения сопла А*, мм2 Массовый расход воздуха m1, кг/с
300 5650 2,59
400 3770 2,30
500 2825 2,16
Из таблицы видно, что с увеличением температуры воздуха перед соплом T1 существенно снижаются потребные массовые расходы воздуха m1 и, следовательно, повышается экономичность пневмозатвора. Таким образом, очевидна целесообразность утилизации тепла, выделяющегося в печи при сгорании сырья.
Выводы. Предложена оригинальная конструктивная схема пневмозатвора - устройства, предотвращающего выбросы агрессивных газов из реакторов в окружающую среду. Рассчитаны и проанализированы характеристики пневмозатвора эжекционного типа, устанавливающие зависимость основных размеров устройства от режимных параметров.
Библиографический список
1. Гришина Е.А. Рабочий процесс и конструкции эжекционного пневмозатвора / Е.А. Гришина, Е.К. Спиридонов, А.В. Подзерко // Динамика машин и рабочих процессов: сб. докл. всерос. науч.-техн. конф. - 2009. - С.41-46.
2. Соколов Е.Я. Струйные аппараты / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.
3. Пат. 90547 RU, МПК F27B 15/08. Эжекционный пневмозатвор устройства для загрузки сыпучих материалов / Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, А.В. Подзерко. - №2009136364/22; заявл. 30.09.2009; опубл. 10.01.2010. Бюл. №1. - 2 с.
4. Успенский В.А. Струйные вакуумные насосы / В.А. Успенский, Ю.М. Кузнецов. - М.: Машиностроение, 1973. - 144 с.
5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: в 2 ч. Ч.1. Учеб. руководство для втузов / Г.Н. Абрамович. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука: Гл. ред. физ-мат. лит., 1991. - 600 с.
Материал поступил в редакцию 11.11.10. References
1. Grishina E.A. Rabochii process i konstrukcii ejekcionnogo pnevmozatvora / E.A. Grishina, E.K. Spiridonov, A.V. Podzerko // Dinamika mashin i rabochih processov: sb. dokl. vseros. nauch.-tehn. konf. - 2009. - S.41-46. - In Russian.
2. Sokolov E.Ya. Struinye apparaty / E.Ya. Sokolov, N.M. Zinger. - 3-e izd., pererab. - M.: Energoatomizdat, 1989. - 352 s. - In Russian.
3. Pat. 90547 RU, MPK F27B 15/08. Ejekcionnyi pnevmozatvor ustroistva dlya zagruzki sypuchih materialov / E.K. Spiridonov, E.A. Grishina, A.V. Podzerko. - №2009136364/22; zayavl. 30.09.2009; opubl. 10.01.2010. Byul. №1. - 2 s. - In Russian.
4. Uspenskii V.A. Struinye vakuumnye nasosy / V.A. Uspenskii, Yu.M. Kuznecov. - M.: Mashinostroenie, 1973. - 144 s. - In Russian.
5. Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika: v 2 ch. Ch.1. Ucheb. rukovodstvo dlya vtuzov / G.N. Abramovich. - 5-e izd., pererab. i dop. - M.: Nauka: Gl. red. fiz-mat. lit., 1991. - 600 s. -In Russian.
E.K. SPIRIDONOV, E.A. GRISHINA, A.V. PODZERKO
EJECTION PRESSURE LOCK CHARACTERISTICS AND CALCULATION
A design model and general properties of the ejection pressure lock are offered. A selection method of the pressure lock with the lowest power consumption is developed.
Key words: pressure lock, gas dynamics, jet flows, ejection devices, characteristics, parameter calculation.
