CC BY
15
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
8. Осипов М. А. Методы налогового стимулирования инвестиций в инновационное развитие экономики [Электронный ресурс] // Проблемы современной экономики. 2008. № 1 (25). URL: http://www.m.economy.ru/art.php?nArtId=1870 (Дата обращения 27.05.2013).
9. Рейтинг стран Европы по налогу на прибыль [Электронный ресурс]. Электрон. дан. / РИА РЕЙТИНГ, 2013. URL: http://riarating.ru/countries_rankings/20110712/40 0558919.html. (Дата обращения 22.06.2013).
10. Российский статистический ежегодник-2012 [Электронный ресурс] / Федер. служба гос. статистики. Электрон. дан. М., 1999-2013. URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/ rosstat/ru/statistics/publications/catalog/doc_11350 87342078. (Дата обращения 29.03.13).
11. Россия в цифрах-2013: стат. сб. [Электронный ресурс] / Федер. служба гос. статистики. Электрон. дан. 1999-2013. URL: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/
rosstat/ru/statistics/publications/catalog/doc_11350 75100641. (Дата обращения 23.06.2013).
12. Стратегия-2020 [Электронный ресурс] : проме-жут. докл. о результатах эксперт. работы по ак-туал. пробл. соц.-экон. стратегии России на период 2020 г. 517 с. URL: http://www.kommersant.ru/content/pics/doc/doc17 53934.pdf. (Дата обращения 21.06.2013).
13. Структура инвестиций в основной капитал по источникам финансирования [Электронный ресурс] : электрон. стат. дан. URL: http://www.gks.ru/bgd/regl/b13_01/IssWWW.exe/ Stg/d01/invest2.htm. (Дата обращения 29.03.2013).
14. Структура инвестиций в основной капитал по источникам финансирования в 2012 г. [Электронный ресурс] : электрон. табл. URL: http://www.gks.ru/bgd/regl/b13_01/IssWWW.exe/ Stg/d01/invest2.htm. (Дата обращения 29.03.2013).
УДК 621.928.93 +621.733.2 Асламов Александр Анатольевич,
к. т. н., профессор каф. машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия, е-mail: [email protected]
Комлева Татьяна Анатольевна, Аспирант, ИрГУПС, е-mail: [email protected] Асламова Вера Сергеевна,
д. т. н., профессор каф. «Безопасность жизнедеятельности и экология», ИрГУПС, е-mail: [email protected]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ
ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
A.A. Aslamov, T.A. Кош1еги, V.S. Aslamova
THE CORRECTING OF KINETIC COEFFICIENTS FOR THE SWIRLING FLOW IN ANNULAR CHANNEL
OF VARIABLE SECTION
Аннотация. Представлены результаты расчета коэффициентов Кориолиса и Буссинеска для закрученного потока в прямоточном циклоне, сепарационная камера которого имеет переменное сечение за счет наличия в ней вытеснителя центрального вихря. Расчет выполнен в автоматизированной системе, разработанной авторами по регрессионным зависимостям экспериментальных профилей вектора полной скорости и угла ее наклона для конического или профилированного внутреннего вытеснителя от безразмерного радиуса.
Ключевые слова: прямоточный циклон, профилированный вытеснитель, угол наклона вектора полной скорости, поля полной, осевой и тангенциальной скорости, коэффициент Корио-лиса, коэффициент Буссинеска.
Abstract. The article presents the results of calculation Coriolis and Boussinesq coefficients for a swirl flow in a straight cyclone. Its separation camera has a variable cross-section due to the presence of crowding out of the central vortex. The calculation is executed in the automated system developed by the authors basing on the regression dependencies of the full speed vector experimental profiles and its angle tilt for conical or a profiled inner crowding out from the dimensionless radius.
Keywords: direct-flow cyclone, profiled displacer, full speed vector inclination angle, fields full, axial and tangential velocity, the Coriolis coefficient, the Boussinesq coefficient.
Известно, что основным уравнением гидравлики с 1740 года является уравнение Бернулли,
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
Р,
а Ж
+ р +Р яgzl =Р,
а кЖ ■ + Р2 + АР,
2 1 "1 ' * 2 где индексы 1 и 2 - сечения на входе в циклон и в выхлопном патрубке; г - расстояние между сечениями; АР - гидравлическое потери давления (местные и на трение) в циклоне; Р1 , Р2 - перепад статических давлений, измеряемый по показанию И и-образного манометра, [м], и равный pgh, [Па]; р - плотность воды; Жь Ж2 - средние скорости потока в кольцевом зазоре на входе в циклон и в выхлопном патрубке; рg - плотность воздуха; ак - коэффициент Кориолиса.
Кинетический член уравнения Бернулли содержит коэффициент Кориолиса, который представляет собой отношение действительной кинетической энергии Еист потока, проходящего через заданное сечение аппарата площадью ¥к... к кинетической энергии Еср, вычисленной по средней скорости в том же сечении [1]:
0,5р | Жъй¥ |ЖЪй¥
Еи
а к =
Е„
0,5тЖ2
¥„
Ь =
Ки
К
тЖср
Ж2 ¥
" ср к
¥к
ср .....ср '' ср к к
Этот коэффициент тоже учитывает нерав-
являющееся законом сохранения энергии для жидкости. Это уравнение с успехом применяется в широчайшем спектре гидро- и аэродинамических приложений, в частности при определении гидравлических характеристик различного рода технических устройств. Уравнение Бернулли для несжимаемого газа выглядит следующим образом [1, 2]:
номерность распределения скорости по живому сечению потока. Его называют коэффициентом количества движения или коэффициентом Буссинеска. Для симметричных профилей скоростей между коэффициентами ак и Ьк существует соотношение: ак « 3Ьк - 2, ак > 1,Ьк > 1 [1, 4].
В других случаях
ак > 3Ьк - 2 или а к < 3Ьк - 2 .
Поэтому в общем случае следует использовать более точное соотношение [1]:
¡Ж ъй¥
а к = 3Ьк - 2 -
~ср '' ср ~ к
где т = рЖ ¥к - масса газа, протекающего через сечение ¥к в единицу времени, Ж = Ж/ Жср - относительная скорость потока.
Таким образом, этот поправочный коэффициент учитывает неравномерность распределения скорости по живому сечению потока. Коэффициент Кориолиса зависит от режима течения жидкости. Для ламинарного режима он равен 2, для турбулентного режима - 1,13.1,15 [3].
Аналогично коэффициенту Кориолиса в расчетах насосного и компрессорного оборудования используется другой коэффициент Ьк, который равен отношению истинного количества движения Кист, вычисленного с учетом неравномерного распределения скоростей, к потоку количества движения Кср, вычисленного по средней скорости [1]: _
р | Ж2 ё¥ | Ж2 ё¥ | Ж2 ё¥
¥к
Необходимо отметить, что в научно-технической литературе эти коэффициенты определены только для поступательных течений, без наложения на них вращательных, колебательных, вихревых и других дополнительных составляющих движения. В некоторых приложениях эти дополнительные составляющие могут превышать основную поступательную скорость в несколько раз. Так, в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли (ПЦПО, рис. 1) [5] тангенциальная составляющая скорости может превосходить осевую составляющую в 2.2,5 раза. Неучёт этого обстоятельства приводит к существенным погрешностям при оценке гидравлических характеристик потоков с наложенными движениями.
■ 100 мм
О им
200 мм
420 им
Рис. 1. Циклон ПЦПО, точки замера Т1-Т16 и профили полной скорости
к
к
к
к
к
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
¡Р ¿¥
¡р ^ й¥
Предпосылкой для дальнейшей дискуссии явилась неоднородность структуры потока при его вращении, так как в этом случае обнаруживаются области квазитвёрдого и квазипотенциального течений [6, 7]. Эти течения имеют качественно различные градиенты тангенциальной скорости, которые балансируются максимальным значением тангенциальной скорости на границе квазитвёрдого ядра потока. Это вызывает справедливую спорность среднеинтегральной по сечению оценки для средней тангенциальной скорости. В качестве оппонирующих оценок выступали:
Проблема в определении поправочных коэффициентов (Кориолиса и Буссинеска) обозначилась при попытке учесть вторую составляющую скорости при наложении вращательного движения на поступательное. Логичным выходом из создавшейся ситуации явилось предложение о трёх значениях каждого поправочного коэффициента: 1 - значения коэффициентов по неравномерности поступательной составляющей скорости; 2 - по неравномерности тангенциальной составляющей скорости; 3 - по неравномерности полной скорости движения (т. е. векторной сумме поступательной и тангенциальной скоростей). И если по поступательному движению в научно-технической литературе имеются способы осреднения скорости по живому сечению потока, в частности взятие среднеинтегрального по сечению значения, то осреднение тангенциальной и полной скоростей движения явилось дискуссионным.
При обсуждении феномена среднего вращения предлагалась средняя линейная скорость вращательного движения, которая была отвергнута в силу нефизичности описания тангенциальной скорости в радиальном направлении, и в качестве параметра осреднённости вращательного движения оставлена средняя угловая скорость при твёрдотельном вращении условного осреднённого потока. Таким образом, в модели осреднения вращательного движения пришлось отказаться от средней скорости в линейном измерении и перейти к средней скорости в угловом измерении. Тогда входящая в поправочные коэффициенты средняя скорость Жср в случае вращательного движения
уже не является константой, а является функцией радиуса: Жт ср = гюср = Кгюср, где г = г/К - безразмерный радиус; К - радиус циклона. В этом случае коэффициенты Кориолиса и Буссинеска:
- среднеинтегральная по радиусу угловая
К Уг = | Ш ¿г =| Ж(
скорость: юср =
13
¿г
¡¿г | й (Кг ) к|
К ¿г
- среднеинтегральная по сечению угловая скорость:
„ г Ж (г) - I -
Г / , I / г>„
<л
ю = -
ср
2пгйг
~JЯr_d(Rr7
¡Ж (3 )г
КI Мг
- среднеимпульсная по сечению угловая
скорость: юср =
¡ю(г )• тю(г )• гёг ¡ тю2 (г )• гёг
¡ ш
К(г ) Кг
¡ тю(г )• гёг
(к?) |
• Кг • ¿
| тю(г )•
¿г
гйг
Ж
" ¡тШ • Кг • ¿(Г)' К | '
- среднеэнергетическая по сечению угловая скорость (по кинетической энергии потока):
¡ю(г )• тю2 (г )• 2%?^ | тю3 (г )• га?
юср =
т
| тю1 (г )
• 2лга?
| тю2 (г )
• га?
Ж(г )' Кг
• Кг • а
• d (кг ) i тж
13
¿г
т
жТ(г) ■ Кг
• Кг • ¿
(Кг) К | т-
Ж,
^¿г г
Дискуссионную картину дополнил факт существенной неравномерности распределения давлений при вращении газового потока, а следовательно, и неравномерности распределения плотностей и, в итоге, неравномерности распределения масс при вращении газовых тел. Поскольку масса, плотность и давление для идеального газа соответственно прямо пропорциональны, то т ~ Р(г). Тогда среднеимпульсная по сечению угловая ско-
рость равна ю =-
I р( ¿г
Л г
К\Р\г
г3
тическая юср =■
ср
ф
I р( )Ф-«
J г
_ , а среднеэнерге-
Среднеэнергетическая оценка отставлена из-за существенной непотенциальности вращательного движения. В силу закона сохранения импульса движения при вращении приоритет оставлен за среднеимпульсной оценкой.
3
2
2
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
Таким образом, гидродинамические исследования прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли (ПЦПО, рис. 1) [5.7] привели к необходимости определения коэффициентов Ко-риолиса и Буссинеска в условиях закрученного потока в кольцевом канале переменного сечения, так как по имеющейся в литературе информации по этим коэффициентам имеются данные только в условиях поступательного движения [1, 4]. Для этого предварительно были измерены поля скоростей.
Полученные в работе [6] аппроксимации полной скорости и регрессионные зависимости угла у наклона вектора скорости от относительного радиуса, полученные в работе [5], позволяют вычислить коэффициенты Кориолиса и Бус-синеска для закрученных потоков в кольцевом канале переменного сечения. При этом осевая скорость определяется соотношением Wz = W sin у, а тангенциальная - WT = W cos у, где W - полная скорость.
При проведении расчетов интегралы для истинных кинетической энергии и количества движения, а также средней угловой скорости вычислялись по аппроксимациям [5, 6]. Расчет выполнялся для 10 точек замера (Т7-Т16) по длине циклона отдельно для полной скорости, а также для осевой (поступательное движение) и тангенциальной (вращательное движение) компонент с помощью автоматизированной системы, разработанной авторами (рис. 2). Результаты проведённого численного исследования для конфигураций вытеснителей К1 (конический) и К2 (профилированный) представлены в табл. 1 и 2 соответственно. В таблицах для наглядности восприятия затемнены клетки, в которых коэффициенты Буссинеска и Кориолиса меньше единицы.
Анализ данных табл. 1 и 2 показал следующее:
1. Для поступательной составляющей движения закрученного потока выполняются те же закономерности, которые наблюдаются для поступательных течений. Чем больше неравномерность
расчета Коэффициентов Кориолиса и Буссинеска
Данные для расчета коэффициентов
т
Радиус
□
BlfBl
alfa2 Q
К Корт лиса Полный К Кориол иса Поступател Кориолиса вращения К Бусси юсга полный ( Буссинеска поступате К Бусис еска вращения
7 0,95799 1,55528 1,482955 0,97558 1,212267 1,480844
8 1,00314 2,09357 1,004195 1,00079 1,379519 1,0712
9 0,93349 3,61949 0,649328 0,96499 1,778988 0,745901
10 0,81755 2,74953 0,621976 0,88946 1,578998 0,659006
11 0,81558 2,95023 0,411256 0,89401 1,62432 0,743153
12 0,93735 2,74172 0,449779 0,96387 1,516443 0,756398
13 0,84761 2,09664 0,434254 0,91241 1,385296 0,735584
Рис. 2. Окно автоматизированной системы расчета коэффициентов Кориолиса и Буссинеска
Т а б л и ц а 1
Расчет для ПЦПО с коническим вытеснителем (К1)
Точка замера Коэффициент Буссинеска Коэффициент Кориолиса
полный поступательный вращения полный поступательный вращения
Т7 0,97558 1,212267 1,480844 0,95799 1,55528 1,482955
Т8 1,00079 1,379519 1,0712 1,00314 2,09357 1,004195
Т9 0,96499 1,778988 0,745901 0,93349 3,61949 0,649328
Т10 0,88946 1,578998 0,659006 0,81755 2,74953 0,621976
Т11 0,89401 1,62432 0,743153 0,81558 2,95023 0,411256
Т12 0,96387 1,516443 0,756398 0,93735 2,74172 0,449779
Т13 0,91241 1,385296 0,735584 0,84761 2,09664 0,434254
Т14 0,85938 2,055838 0,73659 0,75865 4,86029 0,363123
Т15 1,11494 1,37734 0,588892 1,30126 2,37897 0,65607
Т16 1,08392 1,240096 0,627826 1,21758 1,68107 0,657976
Т а б л и ц а 2
Расчет для ПЦПО с профилированным вытеснителем (К2)_
Точка замера Коэффициент Буссинеска Коэффициент Кориолиса
полный поступательный вращения полный поступательный вращения
Т7 1,03903 1,277608 1,720662 1,09239 1,79275 1,590799
Т8 1,07365 1,315606 1,360699 1,16255 1,90733 1,213611
Т9 1,33502 2,05359 1,604971 1,81963 4,12783 1,725324
Т10 1,24216 2,12293 1,525919 1,55227 4,42683 1,420086
Т11 1,14700 1,871349 1,623996 1,33232 3,6788 1,458417
Т12 1,08700 1,440415 1,948732 1,18536 2,29285 1,832187
Т13 1,00948 1,030506 2,997612 1,02199 1,08595 2,941431
Т14 1,00566 1,023146 2,998736 1,01306 1,06626 2,936117
Т15 1,00350 1,028535 1,509153 1,01107 1,08734 1,472376
Т16 1,04027 1,068038 0,850079 1,16103 1,21614 0,899464
распределения скорости, тем значения коэффициентов Кориолиса и Буссинеска больше единицы, что согласуется с результатами исследования И.Е. Идельчика и И.Р. Щекина [1, 4]. Максимальное значение, превышающее 3,6 (для К1, см. табл. 1) и 4,4 (для К2, см. табл. 2) для коэффициента Кориолиса и 1,7 (для К1) и 2,1 (для К2) для коэффициента Буссинеска, достигается в сечениях, где имеется обратное, противоточное течение.
2. Для закрученной составляющей движения потока коэффициенты Кориолиса и Бус-синеска не подчиняются закономерностям, характерным для поступательного движения. Средняя скорость вращения вычислялась разными способами: осреднение тангенциальной скорости, осреднение угловой скорости, вычисление средней скорости по среднему импульсу вращения. При этом осреднение производилось как по радиусу, так и по площади проходного сечения. В табл. 1 и 2 приведены результаты расчёта по среднеинте-гральной по сечению угловой скорости. При коническом вытеснителе К1 (см. табл. 1), когда большая часть сепарационной зоны свободна от вытеснителя, в приосевой зоне устанавливается вихревое течение, при котором коэффициенты Корио-лиса и Буссинеска принимают значения меньше единицы, что является невозможным в теории поступательного движения. При профилированном вытеснителе К2 (см. табл. 2) в большинстве сечений циклона коэффициенты больше единицы, кроме выходного сечения, в котором опять устанавливается режим вихревого течения и коэффициенты меньше единицы.
3. Средняя полная скорость тоже определялась разными способами: осреднение полной скорости (приведенное в табл. 1 и 2) и вычисление по средним осевой и тангенциальной составляющим скорости. Поведение коэффициентов Кориолиса и Буссинеска в целом остаётся тем же, что и для вращательной компоненты скорости.
В итоге исследования гидродинамики закрученного течения получены значения для коэффициентов Кориолиса и Буссинеска меньше единицы, чего по теории быть не должно. Минимальное единичное значение может быть только при равномерном движении. Во всех остальных случаях коэффициенты больше единицы. Так как полученные результаты для вращательного движения не получили теоретического подтверждения, для их интерпретации в дальнейшем необходимо произвести теоретическое моделирование частных задач, включающих в себя вращательное движение газа в кольцевом канале переменного сечения.
Исследование проводится в рамках государственного задания вузам по НИР 7.3385.2011 «Исследование двухфазных закрученных потоков в кольцевом канале переменного сечения», 20122014 гг., номер государственной регистрации № 01201257743.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов. М. : Машиностроение, 1983. 351 с.
2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 736 с.
3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям : физико-механические основы. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
4. Щекин И.Р. К вопросу о связи между коэффициентами количества движения и кинетической энергии неравномерного потока // Кондиционирование. Харьков. 1975. Вып. 4. С. 80-87.
5. Поля осевых и тангенциальных скоростей закрученного потока в кольцевом канале переменного сечения / А.А. Асламов, и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы четвертой Всерос. науч.-практ.
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. Экономика и управление
конф. с междунар. участием. Иркутск, 13-17 мая 2013 г. Т. 1. Иркутск, 2013. С. 173-176. 6. Исследование полей скоростей и давлений закрученного потока в кольцевом канале / М.И. Аршинский и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4(36). С. 75-78.
7. Аппроксимация полей скоростей и давлений в прямоточном циклоне с сепарационной камерой переменного сечения / А. А. Асламов и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2 (38). С. 163-168.
УДК 504.4054:628.3
Обуздина Марина Владимировна,
к. т. н., ст. преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел.: 8-914-005-005-8, e-mail: [email protected] Руш Елена Анатольевна,
д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и экология», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел.: 8 (3952) 63-83-52, e-mail: [email protected]
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕОЛИТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
М.У. Obuzdina, E.A. Rush
MODERN TECHNOLOGIES OF ZEOLITES USING IN THE CONSTRUCTION MATERIALS PRODUCTION
Аннотация. Рассмотрена проблема утилизации отработанных сорбентов-цеолитов, используемых в процессах очистки промышленных сточных вод. Показана перспективная возможность их использования в качестве добавок к различным материалам в дорожном строительстве, при производстве бетонов и цементов.
Ключевые слова: сорбент, цеолит, цемент, бетон, добавка, строительные материалы.
Abstact. The article considers the problem of sorbents utilization, for example of zeolites, which can be solved by the use of exhausted sorbents as additives to various materials in road construction, the production of concrete, cement.
Keywords: sorbent, zeolit, construction materials, cement, concrete, additive.
Принцип рационального природопользования и ресурсосбережения является главенствующим при разработке технологий инженерной защиты объектов окружающей среды от техногенного загрязнения. Одной из наиболее актуальных задач, требующих решения в организации процессов адсорбционной очистки сточных вод и промышленных выбросов, является поиск технологий утилизации отработанных сорбентов после окончательного цикла их регенерации.
Природные и модифицированные цеолиты широко используются в технологии очистки сточ-
ных вод от органических и неорганических загрязнений (нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов) в адсорберах различного типа на объектах железнодорожного транспорта и в нефтеперерабатывающей промышленности (например, флотации), так как они позволяют достигать высокой эффектвности очистки.
Промышленная ценность цеолитов обусловлена общим для этих минералов алюмокремнекис-лым каркасом, образующим систему полостей и каналов, размер входных окон которых достаточно велик (0,260-0,270 нм), чтобы в них могли проникнуть молекулы и ионы большинства неорганических и органических соединений. В полостях содержится поглощенная вода и катионы щелочных и щелочноземельных металлов, которые химически слабо связаны с каркасом.
При прокаливании цеолита при температуре 300-400 0С происходит удаление адсорбционной воды без нарушения кристаллической решетки, что приводит к его обезвоживанию до 80 % и максимальному раскрытию пор. После дегидратации цеолит представляет собой микропористую «губку» с объемом пор до 50 % каркаса, которая может более эффективно адсорбировать жидкие и газообразные вещества. Кроме того, цеолиты обладают способностью к легкому катионному обмену, происходящему без каких-либо нарушений кристаллической структуры. Для увеличения адсорб-
