CC BY
17
УДК 532.529.5
ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ SOLIDWORKS ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
А.В.ДМИТРИЕВ*, Г.Х. ГУМЕРОВА**, Е.Е. КОСТЫЛЕВА***
*Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) КНИТУ **Казанский национальный исследовательский технологический университет
(КНИТУ)
***Казанский государственный энергетический университет
Графика в САПР используется для подготовки технических чертежей проектируемых устройств; в сочетании с расчетами она позволяет осуществлять в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции.
Ключевые слова: графические программы, контактные устройства, тепломассообменные аппараты, газовый поток.
Введение
Увеличение производительности труда, сокращение сроков проектирования, повышение качества разработки проектов - важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научно-технического прогресса общества.
Современные исследования предполагают использование новых технологий и компьютерных программ. В работе инженеров-конструкторов, изобретателей новой техники получила широкое применение конструкторская графика как обязательный элемент систем автоматизации проектирования (САПР). Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов. В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций.
Графика в САПР используется для подготовки технических чертежей проектируемых устройств; в сочетании с расчетами она позволяет осуществлять в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции. Средствами конструкторской графики можно получать плоские (проекции, сечения), а также пространственные изображения [1].
Современные графические программы активно используются при проектировании различных моделей и элементов тепломассообменного оборудования, используемого в теплоэнергетике. Это различные теплообменные аппараты, деаэраторы, водоохлаждающие устройства и т.п., которые входят в состав основного оборудования систем оборотного водоснабжения, теплоснабжения, водоподготовки. Одним из важных элементов некоторых видов тепломассообменного оборудования являются контактные устройства [2]. Это устройства, в которых происходит контакт нескольких систем (например, газ-жидкость) с последующим тепло- и массообменом. Если раньше для нового изобретения приходилось создавать реальную установку, а затем проводить многочисленные эксперименты для выявления закономерностей, то в
© А.В.Дмитриев, ГХ.Гумерова, Е.Е.Костылева Проблемы энергетики, 2013, № 7-8
настоящее время некоторые программы позволяют получить виртуальную модель изобретения и, кроме того, смоделировать процессы, происходящие в нем при различных условиях.
Изобретенное контактное устройство для тепломассообменных аппаратов состоит из шестиугольных ячеек, в каждой из которых расположен спиральный элемент. Наиболее подходящим для создания данной модели оказался программный продукт SoHdworks [7]. Количество и сложность действий в данном продукте минимизировано, а интуитивно понятный интерфейс, простота освоения и использования программы позволяют работать людям, имеющим начальные знания о САПР [3].
В программном комплексе Solidworks были созданы модели насадок со спиральным элементом, пример которого показан на рис.1 [6]. Принцип действия данного контактного устройства следующий: жидкость через специальное оросительное устройство подают сверху, и она равномерно распределяется по сечению насадки. Газ подают снизу равномерно под насадку. За счет установленного в каждом канале вертикального стержня, вокруг которого по всей высоте закреплен спиральный элемент, газ приобретает закрученную траекторию движения. Оторвавшиеся от поверхности пленки капли подхватываются газовым потоком, а затем либо под действием центробежной силы возвращаются к стенке, либо оседают на поверхности расположенных выше витков спирального элемента. Постоянный процесс срыва капель жидкости и последующего их возврата к стенкам увеличивают эффективность тепломассообмена за счет увеличенной поверхности контакта жидкости и газа. Кроме того, данная конструкция практически полностью исключает унос жидкости из канала, что не могут решить конструкции аналогов. Шаг витков одинаков, чтобы структура газового потока по всей длине оставалась постоянной.
Рис.1. Модель контактного устройства, полученная в графической программе Solidworks
В Solidworks имеется приложение SolidWorks Flow Simulation - универсальный инструмент для анализа в гидрогазодинамике и теплопередаче. С его помощью можно получить наглядное изображение течения, а также получить физические параметры во всех точках исследуемой модели [4,5].
Для примера приведены профили абсолютных скоростей по радиусам вписанной и описанной окружностей для насадки с диаметром d=50 мм и шагом спирали A=40 мм для различных входных скоростей (рис.2).
Расчеты показали, что при всех геометрических размерах закрутки потока возникают небольшие радиальные течения, что обусловлено застойными зонами в углах шестиугольников. Так, для насадки с d=50 мм и A=40 мм профили радиальных скоростей выглядят следующим образом (рис.3).
© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8
Рис. 2. Профили абсолютных скоростей: 1 - скорость газового потока на входе 1м/с;
2 - 2м/с; 3 - 3м/с
Рис.3. Профили радиальных скоростей: 1 - скорость газового потока на входе 1м/с;
2 - 2м/с; 3 - 3м/с
Как видно из графиков, спиральные вставки позволяют увеличить абсолютную скорость в 2,1 - 2,7 раза. Кроме того, наличие тангенциальной составляющей скорости газового потока распределяет жидкость равномерно по сечению насадки и увеличивает перемешивание в пленке, что интенсифицирует тепломассоперенос в системе газ-жидкость [8].
Summary
The graphics in the CAD is used for preparation of technical drawings of the designed devices; in conjunction with the calculations it allows the visual form of search of optimum design, the most successful layout details, to predict the consequences that may result from changes in the design.
Keywords: graphics programs, contact devices, heat and mass transfer devices, gas
flow.
Литература
1. Пономаренко В.С. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие / В.С. Пономаренко, Ю.И. Арефьев. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376с.
2. Иванов В.П. Трехмерная компьютерная графика/ В.П.Иванов, А.С.Батраков. М.: «Радио и связь», 1995. 308с.
3. Коржов Н.П. Создание конструкторской документации средствами компьютерной графики / Н.П. Коржов. М: МАИ-Принт, 2008. 54с.
4. Дударева Н. Ю. SolidWorks 2009 на примерах / Н. Ю. Дударева, С. А. Загайко. СПб.: БХВ -Петербург, 2009. 544 с.
5. Пат. 96786 Российская Федерация: МПК51ШВ0Ш9/00 / Контактное устройство для тепломассообменных процессов / О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев; заявитель и патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Казанский научный центр РАН. 22. © Проблемы энергетики, 2013, № 7-8
Заявка: 2010115464/05, 19.04.2010; Дата начала отсчета срока действия патента: 19.04.2010; Опубликовано: 20.08.2010.
6. Пат. 87103 Российская Федерация, МПК51ШВ01Л9/32/ Регулярная насадка для пленочных тепломассообменных аппаратов / О. С. Макушева, А. В Дмитриев, А. Н Николаев, М. Г Гарипов; заявитель и патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Казанский научный центр РАН. Заявка: 2009121974/22, 08.06.2009; Дата начала отсчета срока действия патента: 08.06.2009; Опубликовано: 27.09.2009.
7. Дмитриева О. С., Дмитриев А. В., Николаев А. Н. Тепломассообменный аппарат с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости в системах оборотного водоснабжения // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 11. С. 146-148.
8. Макушева О.С., Дмитриев А. В., Николаев А. Н. Контактные устройства с увеличенной пропускной способностью для тепломассообменных процессов // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №10. С. 648-649.
Поступила в редакцию 27 июня 2013 г.
Дмитриев Андрей Владимирович - д-р техн. наук, доцент кафедры «Процессы и аппараты химических технологий» Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ. Тел. 8 (904) 6631696.
Гумерова Гузель Хайдаровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел: 8 (843) 231-41-32.
Костылева Елена Евгеньевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8 (843) 519-43-47.
© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8
