Исследование аэродинамических закономерностей вихревого пылегазоразделителя

Эффективность пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя [1] определяется аэродинамическими закономерностями: распределениями тангенциальной V, осевой V_x и радиальной V_r составляющими скорости в зонах центробежного пылеулавливания. При этом степень интенсификации процесса разделения газовых неоднородных систем зависит, главным образом, от абсолютного значения и характера распределения тангенциальной скорости по радиусу и высоте зон пылеулавливания. Основными последовательно расположенными зонами пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя (ПГР), описание конструкции которого представлено в [2], являются: входная зона, основная и дополнительная зоны, организованные винтовыми закручивающими устройствами (ВЗУ).

В данной работе даётся анализ, сопоставление экспериментальных данных по аэродинамическим характеристикам движения газа в пылеулавливающих и тепло-массообменных устройствах [3-7], трубах и кольцевых каналах с переменной и постоянной круткой потока [8-11], моделирующих зоны пылеулавливания вихревого ПГР.

Аэродинамическая структура входной зоны пылеулавливания, представляющей собой кольцевой канал с однозаходным тангенциальным закручивающим устройством (ТЗУ), определялась геометрическими параметрами: наружным диаметром d выхлопной трубы, внутренним диаметром D аппарата, шириной а и высотой b входного патрубка ТЗУ, а также высотой зоны h_вх и шероховатостью стенок.

Относительными конструктивными параметрами входной зоны пылеулавливания служат: коэффициент крутки потока где F_к=(D² - d²) /4 и F_вх=ab - площади кольцевого канала и входного патрубка,

=a/D - относительные ширина и высота входного патрубка,

- относительный диаметр выходного патрубка;

относительный радиус входного момента количества движения, , где знак "+" используется для циклонов с улиточным, а "- " - для циклонов и исследуемого аппарата с простым ТЗУ; - относительная длина входной зоны пылеулавливания

относительная шероховатость стенок.

Коэффициент крутки потока для различных технических устройств - циклонов, сепараторов, тепло-массообменных контактных устройств, циклонных и циклонно-вихревых камер может принимать значения от 0,02 до 2,5 [3,4]. Для высокоэффективных циклонов и циклонных камер значение KT лежат в пределах от 0,02 до 0,20 (0,30), а для высокопроизводительных - от 0,2 до 0,4 (0,6) [3]. Для обобщения аэродинамики и сопротивления закрученных потоков в трубах [5] и циклонах также используется относительная площадь входа , где F=D²/4 - площадь поперечного сечения трубы, а связь этого параметра с K_т имеет вид

Уменьшение значения коэффициента крутки потока приводит к возрастанию тангенциальной составляющей скорости [6]. При этом увеличение значения скорости V приводит к увеличению статического давления вблизи стенок камеры и аэродинамического сопротивления камеры. За счёт увеличения крутки потока максимум тангенциальной составляющей скорости V_m располагается несколько дальше от оси вращения.

Уменьшение значений коэффициента K_т осуществляется за счёт уменьшения относительных
ширины или высоты входного патрубка ТЗУ.

На рис. 1 представлено распределение тангенциальной V и осевой V_x составляющих скорости потока газа по радиусу контактной зоны трубы для различных значений К_т в контактном устройстве, организованном многозаходным ТЗУ щелевого типа [7].

Анализ зависимости V = (r) показал увеличение абсолютных значений тангенциальной составляющей скорости, и смещение её максимума к периферии канала с уменьшением значений K_т. При увеличении скорости V увеличиваются и центробежные силы, которые оттесняют поток к стенке трубы, что приводит к изменениям в распределении осевой оставляющей скорости V_x по радиусу канала: в периферийной зоне эта составляющая скорости увеличивается, а в приосевой - уменьшается.

Рис. 1 - Распределение тангенциальной V и осевой Vx скоростей в трубе для различных значений коэффициентов крутки Kт: 1 - 1,25; 2 - 0,95; 3 - 0,8; 4 - 0,48

Для любых типов ЗУ по длине зоны центробежного пылеулавливания идёт трансформация профилей скорости V и V_x . Поскольку технические устройства имеют ограниченную длину :

циклонные сепараторы - 1ч3, циклоны - 3ч5 и тепломассобменные устройства - 5ч8, то знание закономерностей распределения V и V_x на этой длине является необходимым условием для расчёта эффективности разделения газовых неоднородных систем.

На рис. 2 показано распределение относительных скоростей по радиусу и длине трубы

с закруткой потока, организованной простым ТЗУ с коэффициентом крутки

[8].

Рис. 2 - Распределение относительных тангенциальной V и осевой Vx составляющих скорости в потоке с тангенциальным подводом при Кт = Fвх = 0,096 : 1 - L = 3,4; 2 - L =13,55; 3 -L = 33,8; 4 - L =54,1

Как видно из этого графика, по длине трубы L наблюдается уменьшение уровня значений скорости V, смещение её максимума к оси и перераспределение скорости V_х в сторону уменьшения обратных токов. Зону обратных токов при фиксированных значениях L в трубе (контактном устройстве) можно снизить за счёт уменьшения интенсивности крутки потока (увеличения значения параметра K_т). Другим способом уменьшения этой зоны является установка в центре трубы цилиндрической вставки, которая уменьшает или даже ликвидирует обратные токи при умеренной крутке потока. Вредное влияние зоны обратных токов при сильной крутке потока заключается в перемешивании пылегазовых потоков, снижающих эффективность центробежного пылеулавливания.

Интенсивность закрутки потока в контактных зонах пылеулавливания вихревого ПГР определялась по интегральному параметру закрутки [5,8]: =М/(K·R₂),
, где соответственно осевые составляющие потоков момента количества движения М и количества движения К; R₁=d/2 и R₂=D/ 2 - наружный радиус выхлопной трубы и внутренний радиус аппарата.

Когда распределения скоростей V и V_x в зоне центробежного пылеулавливания вихревого ПГР не известны или отсутствуют, то может быть использован подход, предложенный в работе [5], на основании которого по конструктивным параметрам ЗУ получены интегральные параметры закрутки потока на входе в канал _вх. Для простых и улиточных ТЗУ параметр _вх определялся по выражению:



, где _н - начальный угол отклонения потока от осевого направления (для циклонов ЦН-11 _н = 79°, а для ЦН-15 и ЦН-24 соответственно _н =75 и 66°; для аппаратов с простым и улиточным ТЗУ н =90°).

Наиболее полные исследования по аэродинамической структуре потока в автомодельной по числу Рейнольдса области течения при изотермических условиях в трубах (D = 0,203м) с различными
типами ЗУ (простыми и улиточными тангенциальными, тангенциально- и аксиально-лопаточными)
были проведены авторами работы [9]. В качестве обобщающего параметра была использована начальная интенсивность крутки потока на входе _вх.