книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

Этот коэффициент под названием приведенного коэффициента гидрав­ лического сопротивления | прив используется в работах [10, 29, 30].

Из таблиц, приведенных в них, следует, что величина £прив находится

В таком виде коэффициент £ позволяет судить, какая конструкция входа обеспечивает меньшие потери крутки, отражает расход энергии на подачу воздуха и не противоречит обычным представлениям, что меньшие потери соответствуют меньшему значению £прив. Однако для циклонных аппаратов падение £прив не всегда характеризует улучше­ ние их работы. Так, например, камера с полностью открытым выходом при аксиальном вводе большого количества воздуха и явно расстроен­ ной аэродинамике отличается малым значением £прив [13].

Для определения гидравлического сопротивления циклонных ка­ мер авторами работы [17, 31] была предложена эмпирическая зави­ симость, учитывающая, по мнению авторов, влияние неизотермичности потока и геометрических факторов. Эта зависимость, однако, не является универсальной, так как она не позволяет оценить гидравли­ ческое сопротивление горячей камеры по результатам холодных про­ дувок. Коэффициент гидравлического сопротивления, отражающий затраты энергии на создание вращающегося потока, был предложен авторами работы [32]

Структура этого коэффициента представляется рациональной, однако данные о его связи с геометрическими параметрами камеры в литературе отсутствуют.

Многочисленными экспериментами отчетливо показано, что дви­ жение газов в циклоне практически автомодельно относительно Re и зависит от соотношения основных геометрических размеров камеры, а также от параметров состояния газа, находящегося в ее объеме. По­ этому более плодотворным для определения зависимости коэффициен­ та сопротивления циклонной камеры следует признать метод, основан­ ный на теории подобия. С помощью интегральных аналогов, приме­ ненных к уравнениям движения идеальной жидкости, установлены критериальные зависимости, конкретизированные затем эксперимен­ тами [12]. В результате обобщения последних получены формулы,

150

характеризующие величину сопротивления циклонных камер в зави­ симости от соотношения их геометрических размеров и параметров потока,

Cs— -г- • 10 3— 1— коэффициент, отражающий влияние шерохова­

тости стенок.

Для значения Ей, отнесенного к входу циклонной камеры,

экспериментальный материал с изменением в широких пределах

в циклон. Поэтому из уравнения (3.40) может быть получено выраже­ ние

позволяющее найти максимальное значение тангенциальной состав­ ляющей скорости. Уравнение хорошо согласуется с опытом (рис. 60, б).

ОСОБЕННОСТИ АЭРОДИНАМИКИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТОКА

При сжигании жидкого топлива циклонный поток можно считать однофазным, так как тонко распыленные капли топлива, попавшие во вращающийся огневой вихрь, почти мгновенно испаряются, не ока­ зывая заметного воздействия на движение газов [34]. Влияние же неизотермичности, возникающей в результате сжигания топлива, су­ щественно зависит от места и способа его подачи в камеру. Как извест­ но, жидкое топливо может подаваться в циклонную камеру нескольки­ ми способами: аксиально (центробежная форсунка размещается

152

в крышке) и тангенциально (форсунками, установленными непосредст­ венно в воздушных соплах или вблизи них, параллельно или под неко­ торым углом к входящей воздушной среде). Исследования аэродина­ мики при аксиальном [35] и тангенциальном вводе топлива [34, 36] показали, что уже в непосредственной близости к входному сечению температура газов резко возрастает (в 3—4 раза). Неизотермический поток качественно сохраняет основную структуру изотермического: характер распределения по радиусу и по длине камеры тангенциаль­ ной составляющей скорости, статического давления и частично осевой скорости не изменяется.

Однако относительные величины скоростей и давлений претерпе­ вают существенные изменения. Так, относительная величина танген­

циальнои составляющей скорости се' в неизотермическом потоке

^ В Х

при аксиальном вводе топлива на 20—50%, а при тангенциальном в два с лишним раза превышает аналогичную величину в изотерми­ ческом циклоне. Естественно, что для различных точек рабочего про-

странства изменение отношения c. предопределяется полем темпе-

^ВХ

ратур, формирующимся в полном согласии с условиями сгорания топ­ лива.

Существенно, что сгорание жидкого топлива в циклоне сопровож­ дается возрастанием не только аксиальной, но и тангенциальной со­ ставляющих скорости. При этих условиях во вращающемся потоке не сохраняются момент количества движения и доля энергии, расходуе­ мая на его вращение. Что же касается тангенциальной составляющей

термическом потоке.

Закономерность распределения осевых скоростей в циклонной камере чрезвычайно сложна, поэтому проведенные аналитические ис­ следования не дают четких решений, позволяющих выявить зоны об­ ратных и кольцевых токов. В неизотермических условиях характер осевых скоростей качественно сохраняет свои основные особенности (рис. 61). Однако в количественном отношении осевые скорости су­ щественно меняются. При горении происходит резкое изменение тем­ пературы потока на входе и в циклоне (в 3—5 раз). Отвлекаясь от не­ равномерности температурных полей, обусловленной различием в рас­ пределении очагов тепловыделения в горящем потоке, и пренебрегая влиянием абсолютного давления на плотность газа вследствие его не­ значительности, можно записать :

153

Тогда в первом приближении, при идентичности массового расхо­ да через циклонную камеру, средняя относительная осевая скорость Zcp. гор при горении может быть принята как

Таким образом, при сжигании топлива -X z • увеличивается в 3—

* В Х

составляющая динамического напора пропорциональна абсолютной температуре. Поэтому подобие массовых осевых скоростей сохраняется лишь приближенно, так как в неизотермическом потоке местоположе­ ние основных зон изменяется (см. рис. 61).

В случае аксиального ввода топлива зона осевого обратного тока вблизи выхода уменьшается, а по мере удаления от последнего пол­

ностью исчезает. При = 0,34-0,35 осевой обратный ток вообще не

наблюдается.

154

Относительное статическое давление — ^ — по сравнению с хо- Р^вх/2

лодными продувками при горении возрастает, причем эта величина зависит также от способа подвода топлива в циклон и его вида. Зона разрежения (нриосевая) заметна лишь у выхода. В сечениях, уда­ ленных от него, статическое давление хотя и снижается от пери­ ферии к оси, но остается выше, чем в пространстве, окружаю­ щем камеру.

При тангенциальном вводе топлива внутри камеры наблюдается большое разрежение [36]. Несмотря на это обратный осевой ток от­ сутствует, так как локализуется в районе выходного сопла. Поток га­ зов в центре камеры направлен от крышки к выходному соплу. Отсут­ ствие обратного осевого тока при значительном разрежении в центре камеры, видимо, связано со значительным поджатием газов на выходе из циклона вследствие их расширения. Аналогичное явление наблю­ дается при изотермических продувках камер с небольшим диаметром выходного сопла. В центральной части камеры осевые скорости при горении возрастают сильнее, чем на периферии.

Рост относительных тангенциальных скоростей при горении со­ провождается изменением момента количества движения и пропор­

Отмеченное выше перераспределение составляющих вращающего­ ся неизотермического потока по сравнению с изотермическим не вно­ сит, однако, принципиальных качественных изменений в структуру потока [13], что дает возможность использовать результаты холодных аэродинамических продувок для оценки параметров работы огневых устройств. Необходимо учитывать зависимость критериев Ей от неизотермичности потока и выявить влияние горения топлива в циклонной камере на перепад давлений в ней.

Полагая в первом приближении, что ДРИЗот —ДРНеизот, можно за­ писать

Для решения задачи влияния процесса горения топлива на пере­ пад давления в камере необходимо привлечь экспериментальный ма­ териал, так как аналитическое ее решение из-за сложности явлений пока невозможно.

155

Обобщение экспериментального материала по гидравлическому сопротивлению циклонных топок электростанций «Уилтон» и «Уиттон» [37], технологических и топочных циклонов, исследованных на стенде КазНИИЭ, а также ряда других камер приведено на рисунке 62.

Рис. 62. Зависимость Eun*. по.-і от геометрии различных цик­

6 — ЦОПУ ДСЗ, открыты два

то же, изотермические про­ дувки. ч

Введение в аргумент уравнений (3.40), (3.41) поправочного коэффи­ циента Сгор, учитывающего влияние на АР горения топлива и соот-

вётствующёгб изменения температур, позволило получить выраже­ ние [12]

где Сгор = 1,2—1,3 — для жидкого и газообразного топлива; Сгор = 0,75—1,0 — для угольной пыли.

Аналогичные зависимости получены для EuVznojl и Еивк. пол. Удовлетворительное согласование расчетных значений с экспери­

ментом позволяет рекомендовать уравнение (3.46) для оценки гидрав­ лических сопротивлений циклонных камер.

АЭРОДИНАМИКА ПОТОКА ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЫ С ВЕРХНИМ ВЫВОДОМ ГАЗОВ

В зависимости от требований технологического процесса для каж­ дого конкретного случая должны решаться вопросы, связанные не только с режимными параметрами процесса, но и конструктивным

156

оформлением агрегата. Анализ работы некоторых установок показал, что для осуществления лироселекционных процессов целесообразнее использовать циклонную камеру с раздельным выводом газов и рас­ плава (камера с верхним выводом газов). Такая конструкция камеры позволяет разделить газовую и жидкую фазы в пределах ее рабочего пространства, что исключает возможность обратных реакций, которые во всех случаях сопровождаются ухудшением технологических пока­

157

В — находящаяся внутри горловины, которую по существу можно считать началом газоходной системы.

В зоне А профиль тангенциальной составляющей скорости в об­ щем случае не подчиняется определенной закономерности, заметно изменяется по высоте камеры и характеризуется максимумом вблизи стенки горловины. В зоне Б распределение тангенциальной скорости по радиусу циклона имеет обычный вид: с уменьшением радиуса (от наружной стенки) наблюдается сначала возрастание величины Vf с

Рис. 64. Влияние площади входа на величину тангенциальной скорости при Іг/Яц = 0,71. а — в зоне Б; б — в горловине; в — в плоскости шли­ цы зоны А; г — ниже шлицы в зоне А.

последующим убыванием скорости до нуля после прохождения через экстремум (области квазипотенциального и квазитвердого вращения) (рис. 64). Для горловины характерно вращательное движение, близ­ кое к квазитвердому. Как видно из рисунка, в плоскостях кольцевого канала, пересекающих входные сопла и в плоскостях, располонсен-

Ѵѵ

ных ниже входных сопл, отношение ~г— принимает различные зна-

' вх

чения.

158

ных сопл профиль тангенциальной скорости близок к профилю ско­ рости в криволинейных каналах [45]. В плоскостях, пересекающих входные сопла, на профиль тангенциальной скорости значительное влияние оказывает поток, входящий в циклон. Вблизи стенки камеры тангенциальная скорость практически равна входной. С уменьшени-

Ѵ„

ем радиуса наблюдается спад соотношения — и затем возрастание

этой величины.

Для всей зоны А характерен максимум Ѵ? вблизи стенки горло­ вины, что соответствует области дополнительного опускного вихря.

станием максимума- •внутри горловины от 0,9 до 1,5, что объясня­

ется соответствующим возрастанием полной выходной скорости. Од­ нако общий уровень вращательных скоростей в циклоне снижается, что обусловлено увеличением доли кинетической энергии потока, за­ трачиваемой на преодоление сопротивления горловины меньшего диаметра.

Экспериментами, проведенными при варьировании основных гео­ метрических соотношений камеры, установлено, что оптимальными являются камеры, выполненные с большей площадью входа и длин­ ными горловинами [46]. Они сохраняют максимальное значение крутки потока в циклоне, оказывающей решающее влияние на сепарационный эффект.

Обобщение экспериментальных данных по тангенциальной ско­ рости с помощью зависимости

27)

1-И2

(3.47)

159