Конвективный теплообмен в относительно длинных циклонных камерах

9. Druzhinin V.V., Kontorov D.S., Kontorov M.D. Vve-denie v teoriiu konflikta [Introduction to the theory of conflict]. Moscow: Radio i sviaz', 1989. 288 p.

10. Kupriianov A.I., Sakharov A.V. Radioelektronnye sis-temy v informatsionnom konflikte [Radio-electronic system in an information conflict]. Moscow: Vuzovskaia kniga, 2003. 528 p.

11. Mistrov L.E., Serbulov Iu.S. Metodologicheskie osnovy sinteza informatsionno-obespechivaiushchikh funktsional'nykh

organizatsionno-tekhnicheskikh system [Methodological basis of the synthesis of information and provides the functionality of organizational and technical systems]. Voronezh, 2007. 281 s.

12. Prilepskii V.V. Konflikty v informatsionno-telekommunikatsionnykh sistemakh [Conflicts in information and telecommunication systems]. Voronezh: VGU, 2004. 144 p.

УДК 536.244

Д.А. Онохин, Э.Н. Сабуров

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОТНОСИТЕЛЬНО ДЛИННЫХ ЦИКЛОННЫХ КАМЕРАХ

Высокотурбулентные закрученные потоки теплоносителей, создаваемые в циклонных устройствах, широко используются в промышленности. Они позволяют существенно интенсифицировать процессы тепломассообмена. В работе приводятся и анализируются результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена на боковой поверхности рабочего объема относительно длинной циклонной камеры. Рассмотрены особенности влияния ее геометрических характеристик на интенсивность теплообмена. Приведены расчетные уравнения теплоотдачи, рекомендуемые для использования в инженерной практике.

Циклонная камера, конвективный теплообмен, коэффициент теплоотдачи, метод конденсации пара, калориметр, число Рейнольдса, число Нуссельта, уравнение теплоотдачи.

The high-turbulent swirling flows of heat carrier, created by cyclone chambers, are used in industry. They allow to intensify processes of heat and mass exchange significantly. The paper presents and analyzes the results of experimental study of convective heat transfer on the lateral surface of the working volume of relatively long cyclone chamber. The features and influence of geometrical characteristics of cyclone chamber on intensity of heat exchange are considered. The equations for calculation of heat dissipation are recommended for use in engineering practice.

Cyclone chamber, convective heat exchange, heat transfer coefficient, method of steam condensation, calorimeter, Reynolds number, Nusselt number, equation of heat transfer.

Введение

Использование высокотурбулентных закрученных потоков теплоносителей, генерируемых в циклонных устройствах, является перспективным направлением развития энергетического и технологического оборудования промышленности. Циклонные устройства обладают высокими технико-экономическими характеристиками, простотой конструкции и универсальностью, а также возможностью дальнейшей интенсификации рабочих процессов за счет конвективного теплообмена.

Большое количество исследований по аэродинамике и конвективному теплообмену в циклонно-вихревых камерах выполнено на их моделях сравнительно небольшой относительной длины Ц = Ц / Бк

равной 1...2. Объясняется это тем, что именно такие циклонные камеры первоначально получили наибольшее применение в промышленности в качестве циклонных топок, печей и энерготехнологических устройств [4], [5].

Расширение использования циклонных камер для решения различных технологических задач и повышение их производительности вызвали необходимость увеличения длины их рабочего объема и про-

ведения соответствующих исследований по аэродинамике и конвективному теплообмену, число которых все еще остается недостаточным, несмотря на то, что такие камеры имеют широкое применение в качестве печей, рекуператоров, теплообменников, сепараторов и других устройств [1]-[5].

Основная часть

Первое систематическое исследование аэродинамики циклонной камеры в широком диапазоне изменения Цк (Цк = 1.11,5) было выполнено в работе

[3]. Проведенные исследования показали, что аэродинамика относительно длинных камер имеет определенные отличия от аэродинамики коротких. Это позволило предположить, что и процессы тепломассообмена в них будут отличными.

Рассматриваемая задача представляет интерес с точки зрения дальнейшего изучения возможностей интенсификации конвективного теплообмена в рабочем объеме циклонных устройств и совершенствования методики их расчета [4].

Настоящая работа является продолжением и развитием ранее выполненных исследований [1]-[5]. Целью работы является дальнейшее изучение особенностей конвективного теплообмена на боковой

поверхности рабочего объема циклонной камеры при различных условиях ввода и вывода потока и разработка рекомендаций для расчета, проектирования и практического использования циклонных камер большой относительной длины.

Исследование выполнено на экспериментальном стенде, основным элементом которого являлась секционированная циклонная камера с разносторонним вводом и выводом газов, диаметром рабочего объема 160 мм и длиной 2040 мм. Относительная длина камеры Ьк = 12,75 и значительно превышала Ьк ранее выполненных исследований [4], [5]. Подвод воздуха в закручиватель камеры осуществляли тангенциально с диаметрально противоположных сторон двумя входными каналами (шлицами) длиной 257 мм, имеющими размеры поперечного сечения 24^84 мм. Оси шлицев находились в одной поперечной плоскости на расстоянии 0,5 Бк от глухого торца закручивателя. Относительная высота шлицев Ивх = Нвх/Ц. составляла 0,075. Безразмерную площадь поперечного сечения входных каналов (площадь входа потока) /х = 4/х/п Ок изменяли специально спрофилированными вкладышами. Относительный диаметр выходного отверстия камеры = dвъm/Ц. изменяли сменными диафрагмами.

Воздух в камеру подавали воздуходувкой с номинальной производительностью 3000 м3/ч и располагаемым напором 2,3 кПа. Расход воздуха измеряли по перепаду давления в сужающем устройстве с помощью дифференциального микроманометра. В качестве сужающего устройства использовали измерительную диафрагму. Температуру воздуха перед ней и на входе в циклонную камеру измеряли лабораторными термометрами. Определение избыточного статического давления на подводящем воздуховоде производили через дренажные отверстия ^-образными водяными дифманометрами. Статическое давление во входных каналах и на боковой поверхности камеры измеряли микроманометрами.

Исследование теплоотдачи производили методом парового калориметрирования [4] - конденсации слегка перегретого (на 2-3°С) водяного пара, подаваемого в калориметр. Внутренний диаметр калориметра равен диаметру рабочего объема циклонной камеры. Длина рабочего участка калориметра составляла 80 мм. Секционированная конструкция циклонной камеры позволяла менять расположение калориметра по ее длине. Продольную координату 1 = 2 / Бк, определяющую местоположение среднего сечения калориметра, отсчитывали от глухого торца закручивателя вдоль оси рабочего объема камеры.

Греющий пар из электрокотла через пароперегреватель поступал в рабочий участок калориметра. Отвод излишнего пара и паровоздушной смеси осуществляли в охранный участок калориметра, а оттуда через отводной штуцер в дренажную систему. Охранная секция калориметра обеспечивала полную теплоизоляцию рабочей секции. Снаружи и с торцов калориметр был теплоизолирован.

Температуру рабочей поверхности калориметра принимали равной температуре насыщенного пара. Общее количество теплоты, проходящее через боковую поверхность рабочей секции калориметра, определяли по массе конденсата, собранного в специальный сосуд, весовым способом с точностью до 0,01 г. Сбор конденсата с рабочего участка калориметра производили через гидравлический затвор, обеспечивающий создание определенного давления в рабочем объеме калориметра. Поддержание требуемых значений избыточного давления и перегрева при изменении расхода воздуха осуществляли нагревательными элементами котла и пароперегревателя. Давление греющего пара в течение опыта поддерживали постоянным.

Выполненные исследования состояли из двух серий опытов. В первой серии опыты проводили при

/вх = 0,08, относительном диаметре выходного отверстия камеры ёвых равном: 0,2; 0,43; 0,59; 0,74; 1 и продольной координате местоположения калориметра 1 = 1,75; 3,25; 6,25; 9,25; 10,75; 12,25. Во второй серии опытов исследование проводили в среднем сечении рабочего объема камеры при 1 = 6,25,

тех же значениях а вых , как и в первой серии, а параметр /х принимал значения: 0,02; 0,04; 0,08; 0,12; 0,21. Во всех вариантах сочетаний /вх , ёвых и 1 опыты выполняли при 5-6 значениях входного

числа Рейнольдса Яевх = ивх Бк / vвх, где ц« - скорость потока на входе в камеру (в шлицах), vвх - кинематический коэффициент вязкости потока в шлицах.

Всего выполнено около 250 опытов. Экспериментальные данные первой серии опытов приведены на рис. 1. Данные, полученные во второй серии опытов, показаны на рис. 2.

Обобщение полученных опытных данных производили в форме уравнения подобия:

Ки = А Ие; 8г 8г,

где № = а Бк / Хвх - число Нуссельта; а - коэффициент теплоотдачи; Хвх - коэффициент теплопроводности воздуха на входе в камеру; 8г = /^ - сомножитель, учитывающий влияние относительных геометрических входных и выходных характеристик

—к „ камеры; 8 2 = 2 - сомножитель, учитывающий изменение числа № вдоль длины рабочего объема камеры; А - коэффициент пропорциональности; п, т, I, к - показатели степени.

Анализ и обработка данных позволили установить, что в относительно длинной циклонной камере сравнительно слабое влияние на теплоотдачу на боковой поверхности рабочего объема оказывают условия вывода газов (относительный диаметр выходного отверстия). Интенсивность теплоотдачи главным образом зависит от условий ввода потока в камеру (величины относительной площади входа). Было установлено, что I ~ 0, а т = 0,4:

8 = Л4.

г л вх

8 = Г -0Д5

Интенсивность теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема камеры уменьшается по ее длине в направлении выходного отверстия (с увеличением продольной координаты г). Сомножитель

8:

3

2,95 2,9

4,8

Показатель п зависит в общем случае от относительной площади входа потока. При рассмотренных

в работе значениях /вх, п изменяется в пределах от 0,7 до 0,8. В качестве примера на рис. 3 показаны кривые, построенные по опытным данным при

й вЬК = 0,43; Г = 6,25 и различных /вХ .

5,2

5,4

5,6

^

Рис. 1. Теплоотдача на боковой поверхности рабочего объема циклонной камеры с _/вх = 0,08. Обозначения: ◊ - Г = 1,75; ж - 3,25;  - 6,25; х - 9,25; о - 10,75; Д - 12,25

2,85

2,75

2,65

2,55

2,45

2,35

2,25

4,6

4,8

5,2

5,4

5,6

5,8 6

^

Рис. 2. Опытные данные по теплоотдаче на боковой поверхности рабочего объема циклонной камеры в среднем сечении Г = 6,25. Обозначения: ◊ - /вх = 0,02;  - 0,04; о - 0,08; Д - 0,12; х - 0,21

0.254

5

5

2,85 2,75 2,65 2,55 2,45 2,35

2,25

0,74 п = А 0,77 0.8/

/ '/к f / /

// / / / 0,76 /Ъ

/ / / ^ / / /

// / у /

У

4,5

4,75

5,25 5,5 5,75 6

^

Рис. 3. Теплоотдача в среднем сечении циклонной камеры при различных значениях /х и ёвых = 0,43

5

Зависимость показателя п от /х имеет сложный характер. Для ее определения без проведения специальных опытов можно использовать следующую полученную в работе приближенную формулу:

п = 0,63 /-0,07.

Значениям п, определенным по формуле (4), соответствуют значения коэффициента А, определяемые следующими уравнениями:

при 0,02 < /вх < 0,08

А = -2,7194 /х + 0,3756;

при 0,08 < /вх < 0,21

А = -0,0009/в-2 + 0,3075.

Если принять в качестве расчетного средние значения п = 0,75, то обобщенное уравнение подобия (1) принимает вид:

Ки = 0,177Яев;75 /вГ1-0д/°'254.

Вышеприведенные уравнения применимы при Яевх = (0,59...5,98) 105.

Следует заметить, что интенсивность теплоотдачи в сечениях, ближайших к выходному торцу камеры на 7-8 % выше значений, определенных по обобщенным уравнениям. Последнее, вероятно, свя-

зано с перестройкой потока в окрестности выходного отверстия.

Выводы

1. Относительная площадь входа потока является основным параметром, определяющим интенсивность теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема циклонных камер большой относительной длины.

2. Величина относительного диаметра выходного отверстия циклонных камер большой относительной длины практически не оказывает влияние на теплоотдачу на боковой поверхности циклонной камеры.

3. Полученные в работе расчетные уравнения теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема циклонных камер большой относительной длины могут быть рекомендованы для практического использования.

Литература

1. Зайцева М.Л., Орехов А.Н., Сабуров Э.Н. О некоторых особенностях аэродинамики циклонных камер большой относительной длины // Вестник Череповецкого государственного университета. 2013. Т. 2. №4 (52). С. 1115.

2. Сабуров Э.Н., Осташев С.И. Конвективный теплообмен в циклонных секционных нагревательных устройствах. Архангельск: Изд-во Арх. гос. техн. ун-та, 2004. 192 с.

3. Сабуров Э.Н. О влиянии относительной длины ци-клонно-вихревых нагревательных камер на аэродинамику греющего потока // Кузнечноштамповочное производство. 1968. №3. С. 35-38.

4. Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообме-

ном. Архангельск: Северо-Западное книжное издательство, 1995. 341 с.

5. Сабуров Э.Н., Карпов С.В. Циклонные устройства в деревообрабатывающем и целлюлозно-бумажном производстве. М.: Экология, 1993. 368 с.

References

1. Zaiceva M.L., Orekhov A.N., Saburov E.N. O neko-toryh osobennostyah aerodinamiki ciklonnyh kamer bol'shoi otnositel'noi dliny [Some features of aerodynamics of relatively long cyclone chambers]. Vestnik Cherepoveckogo gosu-darstvennogo universiteta [Bulletin of the Cherepovets State University], 2013, V. 2, №4 (52), pp. 11-15.

2. Saburov E.N., Ostashev S.I. Konvektivnyi teploobmen v ciklonnyh sekcionnyh nagrevatel'nyh ustroistvah [Convective

heat dissipation in cyclone sectional heat devices]. Arkhangelsk, 2004. 192 p.

3. Saburov E.N. O vliyanii otnositel'noi dliny ciklonno-vihrevyh nagrevatel'nyh kamer na aerodinamiku greyushchego potoka [The effect of the relative length of the cyclone vortex heating chambers on the aerodynamics of the flow of the heating]. Kuznechnoshtampovochnoe proizvodstvo [Forge and stamping production], 1968, №3, pp. 35-38.

4. Saburov E.N. Ciklonnye nagrevatel'nye ustroistva s in-tensificirovannym konvektivnym teploobmenom [Cyclone heat devices with intensive convective heat exchange]. Arkhangelsk, 1995. 341 p.

5. Saburov E.N., Karpov S.V. Ciklonnye ustroystva v de-revoobrabatyvayushchem i cellyulozno-bumazhnom proiz-vodstve [Cyclone devices in the woodworking and pulp and paper production], Arkhangelsk, 1993. 368 p.

УДК 669.2

Н.А. Петров

ООО «БиМетТех», А.А. Комков ООО «Крейд Плюс», А. И. Тартаковский ООО «Твердосплав» Н.И. Шестаков, Ю.М. Журавлева Череповецкий государственный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СПЕКАНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОДА НА НИКЕЛЕВОЙ СВЯЗКЕ С ДОБАВКАМИ ЖЕЛЕЗА

В данной статье рассматривается влияние изменения состава электродов, используемых для поверхностного упрочнения электроискровым способом инструмента, применяемого в производстве холодного проката, с кобальтовой связки на железо-никелевую, что позволяет существенно снизить себестоимость готовой продукции. Никель в составе электрода позволяет избавиться от разгарных трещин, появляющихся на обработанной поверхности при температурных колебаниях в большом интервале значений. Введение железа в состав электрода позволяет увеличить прочность и сплошность покрытия. Так же в статье описывается определение оптимальных геометрических параметров электрода.

Электроискровая наплавка, электрод, железо-никелевая связка, спекание твердосплавного электрода.

This article examines the impact of changes in the composition of the electrodes used for surface electrospark hardening of the tool, used in the production of cold rolled steel (from cobalt ligament to the iron-nickel one) that can substantially reduce the cost of the end product. Nickel in the composition of the electrode allows you to get rid of cracks appearing on the surface when the temperature fluctuates in a large range of values. The introduction of iron in the composition of the electrode allows to increase the strength and continuity of coverage. The optimal geometric parameters of electrode are also determined in the article.

Spark welding, electrode, iron-nickel bunch, sintering of carbide-tipped electrode.

Введение

В современной промышленности электроискровая наплавка металлокерамических покрытий осуществляется только ручным способом, так как существуют сложности с автоматизацией электроискровой наплавки с использованием металлокерамических электродов. Для автоматизации процесса объединяют несколько установок (вибромеханизмов) на общий каркас или применяют дисковые или спиральные электроды [11]. Но данные виды автоматизации имеют свои существенные недостатки в виде недостаточной сплошности покрытия либо сложности и больших габаритов конструкции и т.д.

На данный момент используются исключительно электроды на кобальтовой связке. При этом не из-

вестны характеристики поверхности, обработанной электродами из карбида вольфрама на никелево-железной связке методом электроискровой наплавки, так как для электроискровой наплавки впервые будут использоваться данные электроды. Предполагалось, что использование никелевой связки позволит увеличить качество покрытия.

Цель работы - определение оптимального химического состава электродов на никелевой связке с добавками железа, а также увеличение стойкости электродов.

В работе использовался метод металлографического анализа для определения металлургического перемешивания и контроль твердости. Для усовершенствования способа электроискровой наплавки