Для создания эффективных систем измерения концентрации сернистых соединений, в том числе капельной серной кислоты, выбрасываемых в атмосферу, на предприятиях цветной металлургии необходимо обеспечить формирование монодисперсных потоков на участках установки оптических измерительных устройств. Моделирование подобных динамических систем позволяет подобрать необходимые условия переформирования распределения скоростей и давлений для создания оптимальных условий работы измерительных устройств [1 – 3].
Для проведения экспериментальных исследований был создан аэродинамический стенд: напорная камера и рабочий участок. Стенд позволяет измерять гидравлическое сопротивление и изучать структуру течения на рабочем участке. Конструкция стенда дает возможность исследовать параметры потока как в непосредственной близости от завихрителя, так и на значительном расстоянии от него; позволяет устанавливать различные типы закручивающих устройств. Стенд состоит из электросилового оборудования, приводящего воздух в движение, и собственно аэродинамической части, формирующей течение необходимой для экспериментов структуры. Стенд работает по разомкнутой схеме в напорном режиме.
На стенде изучены параметры потока на различном расстоянии от завихрителя. В данной работе изучены завихрители трех типов: а) с закруткой потока вдоль стенки трубопровода, внутренний диаметр завихрителя 210 мм, наружный 232 мм, высота 3 мм, число лопаток 30; б) аксиальнолопаточный с полной закруткой потока переменным углом атаки. Диаметр внутреннего тела 150 мм, высота лопаток 53 мм; в) аксиально-лопаточный завихритель с полной закруткой потока и переменным углом атаки. Внутренний диаметр 76 мм, высота лопаток 91 мм.
Рабочий участок модели сепаратора аккумулятора состоит из двух коаксиальных цилиндрических трубопроводов. Внутренний перфорированный трубопровод выполнен диаметром 260 мм с отверстиями диаметром 4 мм (пористость 49%) и длиной 1200 мм, на его концевом участке установлена непроницаемая заглушка. Наружный трубопровод изготовлен из оргстекла диаметром 300 мм и длиной 1500 мм. Для измерения давления на стенках трубопровода использовались дренажные отверстия по четырем мерным сечениям с диаметром 0,5 мм.
Для изучения сопротивления модели использовались зависимости коэффициента сопротивления рабочего участка от чисел Рейнольдса. Для изучения зависимости характеристик от выбора типа завихрителя и интенсивности закрутки на первой стадии эксперимент проводился без закрутки потока. Режим течения в различных частях модели оказался не одинаков. В кольцевом канале и во внутренней трубе режим движения воздуха турбулентный, в то время как в отверстиях перфорированной стенки течение может быть ламинарное. Значение числа Рейнольдса в кольцевом канале изменялось от 20000 до 48000. По виду зависимости коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса ясно, что силы вязкости не играют существенную роль в исследованном диапазоне чисел Рейнольдса. Из распределения давления по длине модели можно выделить несколько существенно отличающихся по характеру распределения давлений областей. Начиная от третьего измерительного сечения, быстро нарастает спад градиента давления, что свидетельствует о неравномерности течения газа в щелевом канале модели и в перфорированной стенке. Профили скорости во всех сечениях характеризуются равномерным распределением по радиусу, за исключением пограничного слоя толщиной около 10% от радиуса трубы.
Опыт показывает, что основной расход воздуха (около 85%) проходит через перфорированную стенку на участке трубы между сечениями с Х/Д = 4,4 и Х/Д = 5,0. В кольцевом зазоре до Х/Д = 51,5 скорость движения потока незначительна, где Х/Д – отношение расстояния до мерного сечения к линейному размеру кольцевого зазора..
Распределение скорости в данном сечении близко к равномерному ( размер кольцевого зазора) [4 – 6].
Установлено, что по длине модели на начальном участке изменение давления незначительно, а, начиная от Х/Д > 1, градиент давления имеет отрицательное значение. Такое распределение давления по длине модели создается за счет сильной закрутки потока и неравномерности оттока его из внутреннего канала в кольцевой.
Форма распределения давления по радиусу внутреннего трубопровода характеризуется положительным градиентом давления от перфорированной стенки до 0,1 r/R независимо от числа Рейнольдса и расстояния от завихрителя. Зона устойчивого понижения давления начинается от r/R
= 0,20 до r/R = 0,35 в зависимости от числа Рейнольдса и с увеличением последнего уменьшается. В кольцевом канале максимальное значение давление достигает в сечениях вблизи от выхода из сепаратора. Причем, максимальные значения давления наблюдаются у перфорированной стенки и стабилизация давления начинается на расстоянии r/ от 0,4 до 0,5.
В модели 2 использован аксиальнолопаточный завихритель с диаметром внутреннего тела 150 мм, число лопаток 8 штук, высотой лопаток 53 мм и углом закрутки лопаток 55. Геометрический параметр закрутки n* = 1,597.
Рис. 1. Зависимости коэффициента сопротивления рабочего участка модели от чисел Рейнольдса
1 АЛ-завихритель с d0 = 150 мм; 2 пристеночный завихритель; 3 без закрутки потока; 4 с учетом сопротивления завихрителя
Установлено, что наибольшие скорости в потоке наблюдаются у перфорированной стенки, образуя во внутреннем трубопроводе кольцевую область максимальных скоростей, как показано на рисунке 2.
На расстоянии Х/Д = 3,5 градиент скорости имеет минимальное значение, а профиль скорости в кольцевом канале имеет более развитый вид, чем в предыдущих сечениях, где наибольшие скорости наблюдались у стенок.
Изучение изменения осевой и вращательной скорости показало, что отношение безразмерных осевой и вращательной составляющих скорости оставляет от 2 до 9, в зависимости от Х/Д, причем, при возрастании последнего значение V/Vх уменьшается. Вращательная составляющая скорости достигает максимальных значений на расстоянии от стенки r/R от 1,5 до 1,8 во всех измерительных сечениях и независимао от числа Рейнольдса в пределах Rе = от 2000 до 10000, как показано на рисунке 2.
Для создания закрученного потока вдоль стенки внутренней перфорированной трубы был использован завихритель, центральное тело которого представляет собой непроницаемый диск. Внутренний диаметр завихрителя 210 мм, высота лопатки 3,3 мм.
Угол закрутки 30 при числе лопаток m = 30 шт. и 24 при m = 60 шт., n* = 1,597 при m = 30 шт. и n* = 1,13.
Рис. 2. Форма профилей скорости в модели 2
Характер распределения по длине рабочего участка сепаратора позволяет предположить, что основная часть потока переходит через перфорированную стенку в кольцевой канал на участке от Х/Д = 1,0 до Х/Д = 2,5.
Равномерное распределение давления по длине модели, без резких перепадов, объясняется особенностями течения потока при закрутке его вдоль стенок внутреннего трубопровода.
Можно сказать, что применение завихрителей с закруткой потока в узкой кольцевой зоне вдоль стенок модели приводит к характерным только для данного вида течения распределениям давлений и скоростей как по длине устройства, так и по радиусу во всех измерительных сечениях.
Вблизи внутренней стенки наблюдается увеличение давления до r/R = 2, затем давление уменьшается, причем, градиент давления уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. Зона пониженного давления мало изменяется по величине в зависимости от чисел Рейнольдса и отличается стабильностью по всей длине модели.
Рис. 3. Профиль вращательной и осевой составляющей скорости
Скорость потока достигает максимальных значений у перфорированной стенки. По радиусу значения скорости изменялись неодинаково в зависимости от удаления завихрителя, числа Рейнольдса и числа лопаток завихрителя как показано на рисунке 3.
Наибольший перепад скоростей наблюдался при числе лопаток 60 на расстоянии Х/Д = 1,17 (при этом резко увеличивалось сопротивление модели). При m = 30 этот перепад уменьшается, причем режим движения особой роли не играет. Отношение безразмерной вращательной скорости к осевой составляющей по длине модели уменьшается от начальных сечений к конечным. Максимальные значения вращательной составляющей скорости уменьшается по длине модели. Сформулированы условия формирования структуры потока, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований и проведено сравнение возможности применения различных моделей сепаратора при конкретных условиях протекания потока.
Показано, что изменение диаметра центрального тела dо позволяет в широких пределах варьировать значение геометрического параметра закрутки n* от n* = 1,13 при dо = 232 мм и чисел лопаток m = 60 шт. до n* = 1,6 при dо = 150 мм, что позволяет получить самые разнообразные условия входа потока в рабочую часть устройства и оптимизировать работу сепаратора.
Изученные типы сепараторов позволяют получить перераспределение капельной фазы серной кислоты по диаметру трубы таким образом, чтобы достигалось ее равномерное распределение в виде монодисперсного потока [7 – 9].
ЛИТЕРАТУРА
- Щукин В.К., Шарафутдинов Ф.И., Миронов А.И. О структуре закрученного течения в непосредственной близости от завихрителя с прямыми лопатками // Известия вузов: Авиационная техника. – 1980. – N 1. – С. 76–80.
- Щукин В.К., Халатов А.А.. Летягин В.Г. Некоторые особенности гидродинамики частично закрученных потоков в коротких трубах. // Теплофизика высоких температур. – 1975. – N 3. – С. 555–560.
- Абкарян А.А. Исследование аэродинамики и теплообмена закрученного потока воздуха в системе вихревая камера цилиндрический канал: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Казань, 1985. – 16 с.
- Давыдов Ю.Ф. Влияние геометрических параметров и числа Рейнольдса на гидравлическое сопротивление модели сепаратора-аккумулятора газа // Проблемы научно-технического прогресса в развитии региона и отраслей народного хозяйства (УКСДИ, 21 -27 февраля 1994 г.): Тезисы докладов ХХХIV НТК/ ВК ТУ. – Усть Каменогорск, 1997. – С. 58–59.
- Давыдов Ю.Ф., Колесников А.А. Применение сепараторов-аккумуляторов для формирования двух и многофазных потоков. // Новые строительные технологии. Сборник научных трудов, посвященный 40-летию строительного факультета. Сиб. ГИУ. – Новокузнецк, 2000. – С. 277–285.
- Давыдов Ю.Ф. Контроль процессов производства серной кислоты // Цветные металлы. – 2003. № 11. – С. 92–95.
- Давыдов Ю.Ф. Оптимизация и контроль производства серной кислоты на предприятиях цветной металлургии. // Труды ВНИИЦветмета. – № 1-2, г.УстьКаменогорск, 2003 – С. 99–102.
- Давыдов Ю.Ф., Грунина Д.А. Регулирование работы систем перемещения двухфазных потоков. // Энергетика, экология, энергосбережение (2-4 июня, 2005 г.): Материалы 1 международной научно-технической конференции. УстьКаменогорск, 2005. – С. 134–135.
- Давыдов Ю.Ф., Седелев В.А., Вишняков С.Н. Применение сепараторов двухфазных потоков для непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты // Вестник ВК ТУ. – 2000. – N 1. – С. 85– 89. УДК 004.002