CC BY
68
УДК 530.12; 628.543
Е. Г. Хакимова, О. В. Козулина, М. Г. Кузнецов, А. А. Чижевский, Ю. Ф. Коротков, Р. Г. Галиуллин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРШНЕВОГО АКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
Ключевые слова: резонатор, поршневой нагнетатель газа, давление, скорость, труба.
Приведены результаты экспериментальных исследований поршневого акустического резонатора, используемого в качестве нагнетателя газа. Отмечены достоинства нагнетателя перед нагнетателями других типов. Приведен спектр возможностей использования поршневых акустических нагнетателей.
Keys words: resonator, piston acoustic supercharger of gas are resulte, pressure, velocity, pipe.
Results of experimental researches of the piston acoustic resonator used as a supercharger of gas are resulted. Advantages of a supercharger before superchargers of other types are noted. The spectrum of possibilities of use of piston acoustic superchargers is resulted.
В широко используемых в различных отраслях промышленности поршневых насосах и компрессорах поршень перемещается на всю длину Ь рабочего цилиндра [1] . Увеличение длины Ь с целью повышения производительности поршневой машины не дает существенного эффекта, поскольку с увеличением хода Б поршня возрастает продолжительность этапов всасывания и нагнетания. Кроме того, поршневые машины с закрытым с обоих концов рабочим цилиндром имеют сложную клапанную систему, большую металлоемкость из-за использования в качестве привода электродвигателя, а в качестве передаточного устройства - шарнирно-рычажного механизма, и высокого гидравлического сопротивления нагнетательного и всасывающего каналов из-за небольшой площади их поперечного сечения по сравнению с площадью сечения рабочего цилиндра.
Значительное увеличение
производительности поршневой машины может быть достигнуто при использовании резонансных колебаний большой амплитуды [2]. На таком принципе работает поршневой акустический резонатор (далее ПАР), схематически показанный на рис.1.
Рис. 1 - Поршневой акустический резонатор: 1 -поршень; 2 - рабочий цилиндр; 3 -переходник; 4 - труба; 5 - бокс
В отличие от компрессора и насоса поршневого типа ПАР не имеет клапанной системы, конец рабочего цилиндра со стороны всасывания и нагнетания газа или жидкости выполнен открытым и к этому концу присоединена посредством переходника труба, длина которой значительно больше длины хода поршня в рабочем цилиндре, а диаметр ее меньше, но незначительно, диаметра
рабочего цилиндра. Общая длина цилиндра, переходника и трубы составляет % длины волны колебаний газа в рабочем объеме ПАР в условиях его работы в резонансном режиме. Свободный конец трубы служит одновременно окном для всасывания и нагнетания рабочей среды, в качестве которой могут быть жидкость, газ или пар.
При перемещении поршня вправо рабочая среда в виде струи выбрасывается из трубы в бокс, вследствие чего в рабочем объеме ПАР создается разряжение, а при перемещении поршня влево рабочая среда из окружающего ПАР пространства устремляется в трубу и через переходник в рабочий цилиндр.
Возбуждение периодических ударных волн в ПАР было осуществлено на экспериментальной установке, схема которой показана на рис. 2.
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки: 1 -компрессор; 2 - рабочий цилиндр; 3 - поршень; 4 -переходник; 5 - труба; 6- датчик термоанемометра; 7 - окно всасывания газа; 8 -бокс; 9 - датчик давления; 10 - осциллограф; 11 -термоанемометр; 12 - выпрямитель; 13 - реостат; 14 - частотометр;; 15 - электродвигатель; 16 -окно; 17 - окно нагнетания газа
Продольные колебания газа в ПАР создавали в диапазоне частот 2^40 Гц. Для этого использовали компрессор СО-7А, коленчатый вал которого приводился во вращение от электродвигателя постоянного тока мощностью 3,2 кВт и частотой вращения 1450 об/мин. Регулирование частоты
вращения осуществляли реостатом, соединенных с выпрямителем ВАС 275-100. Частоту колебаний поршня измеряли частотометром 43-33, амплитуду колебаний - термоанемометром, соединенным с двухлучевым осциллографом С1-18, а амплитуду колебаний давления - датчиком давления Лх-610, соединенным с другим входом осциллографа. Измерения колебаний давления и скорости проводили в пяти точках по длине трубы.
На рис. 3 даны осциллограммы относительного давления и относительной скорости газа на свободном конце трубы, имевшей внутренний диаметр 0,04 м и длину 3,5 м.
Положительные значения давления и скорости на осциллограммах соответствуют процессу выброса газа из трубы. Пик давления показывает на существование ударной волны, за которой следует нестационарная струя. Осциллограмма также показывает, что процесс всасывания газа протекает практически при постоянном давлении.
Рис. 3 - Осциллограммы относительного
Р „ и
давления -— и относительной скорости -
с0
РС2
газа на выходе их трубы ПАР (Т - период колебаний)
Расчет нагнетателя при заданных ходе поршня Б = 2 £, здесь (£ - амплитуда смещения поршня), диаметре рабочего цилиндра й, частоте \ возвратно-поступательно движения поршня и динамическом давлении Р струи, проводился в следующей последовательности.
Динамическое давление и максимальная скорость выбрасываемой из трубы струи связаны законом Бернулли [2]. Следовательно, максимальная скорость струи
ит =
(1)
где р - плотность газа.
С другой стороны, скорость ит и эффективная амплитуда 1э смещения поршня связаны следующим соотношением [2]: ит
4л1£ э N0 ^ Со ,
где N0 - скорость звука в невозмущенной среде. Из (1) и (2) получим уравнение вида:
(2)
£ э =-
Р
(3)
2лрГС0
Амплитуды смещения поршня подчиняются зависимости [2]:
£ э =8£2
(4)
й
где 5 = —— степень сужения переходника;
й - диаметр рабочего цилиндра; d - диаметр трубы.
С учетом (3) имеем:
d = й
2яр£1Со
Р
(5)
Эффективную длину Ьэ системы рабочий цилиндр - переходник - труба, необходимую для настройки ПАР на резонанс, можно определить из уравнения:
Со
Ьэ =-
4Г
а длину трубы - по формуле: ;2
1_ = 1_э -52£ -[ 52 +5 = 11-^
(6)
(7)
Средняя за цикл скорость и выбрасываемой из трубы струи может быть определена в предположении о синусоидальном характере зависимости скорости от времени.
Тогда средняя за цикл скорость и будет
равна:
и = Цт ^ = <
(8)
Следовательно производительность ПАР
^2п
2п2,
От = 0,25^^и = 0,25^. (9)
Эффективность у ПАР можно определить по сравнению его производительности с производительностью обычной поршневой машины, производительность которой равна:
00 = 0,5лй2£Г . (10)
Представив у через отношение ,
получим:
У = •
лС20 , [р
(11)
Вычисления у для диапазона динамического давления 200-20000 Па при р = 1,21 кг/м3 и Со = 342 м/с дают 4,18 < у < 41,8 , т.е. ПАР наиболее эффективен при небольших напорах струи. Для ПАР с параметрами 21 = 0,086 м, О = 0,077 м, Ь = 0,04 м, Ь = 3,5 м и И = 0,1 м резонанс наступает при \ = 22,1 с-1, при этом максимальное динамическое давление струи составило 16401 Па, а ит = 154 м/с и От = 72,8 л/с. У обычного нагнетателя с такими же значениями р и ^ производительность 00 = 8,84 л/с.
Таким образом, ПАР оказывается достаточно эффективным средством нагнетания газа в объемы с небольшим противодавлением. ПАР особенно эффективен в использовании для вентиляции крупногабаритных помещений, например, хранилищ сельскохозяйственного сырья, лаков, красок и других пахучих веществ.
При постоянно подводимой мощности ПАР работает устойчиво. Значительные колебания сетевого напряжения приводят к изменению частоты вращения двигателя и потере устойчивости в режиме работы ПАР, т. е. к использованию резонанса.
Теория резонансных колебаний
пульсирующих течений, расчеты
энергоэффективности ПАР и оценка их энергосберегающей способности рассмотрены в работах [3-5].
Литература
1. Елин В.И. Насосы и компрессоры./ В.И. Елин, К.Н.
Солдатов, К.Н.Соколовский. - М.: Гостоптехиздат, 1960, 308 с.
2. Галиуллин Р.Г. Теория теоретических автоколебаний./ Р.Г. Галиуллин, И.П. Ревва, Г.Г. Халимов. - Казань: КГУ, 1982, 156 с.
3. Короткое Ю.Ф. Резонансные колебания пульсирующих
течений./ Ю.Ф. Коротков, О.В. Козулина, М.Г. Кузнецов. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. Т. 14, №3, С.146.
4. Галиуллин Р.Г. Теория резонансных колебаний пульсирующих течений./ Р.Г. Галиуллин, М.Г. Кузнецов, О.В. Козулина, А.Н. Николаев, Ю.Ф. Коротков. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. Т. 15, №2, С.67-69.
5. Кузнецов М.Г. Расчет эффективности акустического нагнетателя газа./ М.Г. Кузнецов, Р.А. Ермаков, Р.Г. Галиуллин, О.В. Козулина, А.А. Овчинников, В.М. Ларионов. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. Т. 15, №2, С.25-27.
© Е. Г. Хакимова - ст. препод. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, [email protected]; О. В. Козулина -канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; М. Г. Кузнецов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. А. Чижевский - канд. хим. наук, ст. препод. каф. общей химии и экологии КНИТУ; Ю. Ф. Коротков - канд. техн. наук, доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; Р. Г. Галиуллин - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. технической физики и энергетики ПФУ
