Экспериментальное сравнение газораспределительных устройств для формирования центробежного слоя

УДК 66.095.5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СРАВНЕНИЕ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ

ФОРМИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЛОЯ

Д.Ю. Агапов, А.А Надеев, К.Н. Родионов, В.Г. Стогней, И.Ю. Клейников

В данной статье приведены экспериментальные исследования газораспределительных устройств, используемых для формирования центробежного псевдоожиженного слоя мелкозернистого материала

Ключевые слова: центробежный псевдоожиженный слой, газораспределительная решетка, гидравлическое сопротивление, угол установки профильных лопаток

Движение дисперсного материала вдоль кольцевого канала осуществляется под действием направленных потоков газов, которые формируются в наклонных каналах газораспределительного устройства. Для формирования центробежного псевдоожиженного слоя твердого дисперсного материала могут применяться газораспределительные решетки различного типа: жалюзийные, с профильными лопатками и перфорированные [1]. Одним из основных параметров, влияющих на эффективность аппарата с центробежным слоем, является массовый расход твердой фазы [2]. Другой важной характеристикой аппарата является гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки и слоя, которое определяет затраты энергии на привод дутьевых установок [3]. Поэтому можно считать, что решетка является более эффективной в том случае, если она обеспечивает большой массовый расход частиц О при меньшем суммарном гидравлическом сопротивлении решетки и слоя АР [4, 5].

Исследования проводились в два этапа. В результате первой серии экспериментов было установлено, что наиболее оптимальным относительным шагом для жалюзийных и профильных решеток является величина Т » 0,8 [6], при которой обеспечивается заданное изменение направления потока газов при наименьшем гидравлическом сопротивлении его движению. Это хорошо согласуется с результатами исследования лопаточных аппаратов турбомашин [7, 8]. В этой же серии экспериментов было установлено, что на массовый расход частиц

Агапов Дмитрий Юрьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473)2748547

Надеев Александр Александрович - ВГТУ, ассистент, тел. 8(473)2648316

Родионов Кирилл Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473)273-50-40

Стогней Владимир Григорьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 8(473)2525354

Клейников Игорь Юрьевич - ВГТУ, магистрант, тел. 8(473)2437662

наибольшее влияние оказывает угол выхода потока газов из решетки р0 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость массового расхода дисперсного материала от гидравлического сопротивления профильной решетки и слоя

Во второй серии экспериментов проводилось сравнение эффективности работы перфорированных, жалюзийных и профильных решеток. Газораспределители обеспечивали одинаковый угол выхода газового потока из решетки, равной р0 =55°. Относительный шаг расположения каналов у решеток всех типов составлял Т = 0,8. Перфорированная решетка имела диаметры отверстий 2,5 мм и живое сечение 10 %.

Опыты проводились в следующей последовательности. Решетки поочередно устанавливались между диффузором и кольцевой камерой и насыпалась одинаковая масса мелкозернистого материала, в качестве которого использовались частицы из алюмоцинкового сплава ^ = 5 мм и шарики силикагеля ^ = 4,8 мм. В опытах измерялось время движения частиц меченных радиоактивным изотопом золота по контуру циркуляции при помощи датчика

ДП-5А и секундомера. Массовый расход определялся как отношение насыпной массы ко времени одного оборота частиц. Опыты проводились в одинаковом диапазоне изменения расхода ожижающих газов. Суммарное сопротивление решетки и слоя фиксировалось с помощью микроманометров типа ММН-240. Результаты сравнительных экспериментов приведены на рис. 2.

G, кг/с

Рис. 2. Зависимость массового расхода твердых частиц от суммарного гидравлического сопротивления решетки и слоя

Как следует из графиков, профильные газраспределительные решетки (рис. 3) эффективнее перфорированных в 8.. .15 раз и жалю-

зийных в 1,2___1,5 раза. Это объясняется тем,

что в профильных решетках происходит более плавное изменение направления газового потока, что снижает в них потери давления по сравнению с решетками других типов. Учитывая также, что профильные решетки просты в изготовлении, они могут быть рекомендованы для промышленного использования в аппаратах с тонким центробежным слоем.

Экспериментальные исследования гидравлического сопротивления профильных решеток показали, что в диапазоне 2000 < Яе < 10500 число Ей практически автомодельно по отношению к числу Яе, т.е. не зависит от скорости потока газов (рис.4). Как видно из рисунка основное влияние на величину Ей оказывает угол выхода потока газов из решетки, который при нулевом угле атаки лопаток, изогнутых по радиусу может быть рассчитан по формуле:

До = аігаи ^,

где ^ - наименьшее расстояние между лопатками, м.

£ - шаг установки лопаток.

До = 2 Ду,

где Д - угол установки профильных лопаток, рад.

Рис. 3. Профильная газораспределительная решетка

2000 4000 6000 8000 10000 Яе

Рис. 4. Зависимость критерия Ей от числа

Яе

Опытные данные по исследованию сухих профильных решеток при изменении Р0 от 0,44 до 1,22 рад аппроксимированы методом наименьших квадратов с относительной погрешностью 12 %, в виде зависимости:

АР = 3,03-р2у -Ра-ч2,

где ра - плотность газа, кг/м3;

и0 - средняя скорость газа на входе в решетку

Отдельные результаты опытных и расчетных по (3) данных приведены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость перепада давлений в решетке от скорости газового потока

Особый интерес представляют штампованные профильные решетки, отличающиеся простотой изготовления и малой стоимостью.

На рис. 6 представлена фотография профильной газораспределительной решётки изготовленной штамповкой. Решётка выполнена из листа стали толщиной 0,8 мм.

Гидравлические сопротивления решетки и слоя являются очень важными характеристиками т.к. определяют затраты энергии на привод дутьевых установок.

Исследование было направлено на определение гидравлического сопротивления решёток и слоя в зависимости от скорости движения газового потока. Измерение статического давления осуществлялось микроманометром типа ММН-240 через штуцеры отбора давления. Измерение угла потока газов, установки лопаток и наклона решеток к плоскости газораспределительной устройства производилась от вертикальной оси.

Рис. 6. Штампованная профильная газораспределительная решетка

На рис. 7 представлены опытные характеристики штампованной решётки. Исследовались решётки с углами выхода газа Д = 62°, Д2 = 58°, Д = 55° с шагом ^ = 6, £2 = 4, £3 = 3, соответственно, и углом наклона лопаток = 80°, а2 = 76° и а3= 72°.

Рис. 7. Результаты опытных данных для сухих решёток

На рис. 8 представлены графики зависимости сопротивления центробежного слоя для двух решёток с углами наклона лопаток Р = 62°, р = 55° и массой материала 1,35 и 2,25 кг для каждой решётки.

APp, Па

250

200

150

100

50

Решётка и слой: А-Д)=550; 5=3; V=1,35 кг Д - Д)=620; 5=6; V=1,35 кг  - Д)=550; 5=3; V=2,25 кг  -Д)=62 а, 5=3; V=2,25 кг Решётка: • -Д)=550; 5=3 О- Д)=62 * 5=6

1 ] 1 ^я '

1^ А к — •**! к

-Аг~ Л -

— - ~т

1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 и0, м/с

Рис. 8. Результаты опытных данных для решёток и слоя

Проведённые эксперименты показали, что сопротивление слоя остаётся постоянным для разных углов наклона лопаток и зависит только от массы высушиваемого материала. Увеличение скорости газового потока оказывает незначительное влияние на сопротивление материала, поэтому можно считать его постоянным для одной и тоже массы материала, сопротивление газораспределительного устройства с увеличением угла наклона лопаток возрастает. Сопротивление также возрастает с увеличением ско-

рости газового потока через газораспределительное устройство.

Литература

1. Агапов Ю.Н. Использование центробежного слоя в качестве насадки водоохладителя / Ю.Н. Агапов, Медведев Д.Н. // Современные технологии в аэрокосмической отрасли и теплоэнергетике: труды научн. техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2003. - С. 65-71.

2. Определение коэффициентов тепловой эффективности многоступенчатых аппаратов с центробежным слоем / Д.Ю. Агапов, А.А. Надеев, К.Н. Родионов, В.Г. Стогней, Ю.Н. Агапов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 10. - С. 132

- 135.

3. Владимиров А.И. Сопротивление газораспределительных решёток в аппаратах с псевдоожиженным слоем / А.И. Владимиров, В.Н. Петров // Труды МИНХ и ГП им. Губкина. - 1978. - Вып. 114. - С. 146 - 153.

4. Бараков А.В. Экспериментальное исследование гидродинамики жалюзийных решеток / А.В. Бараков, Ю.Н. Агапов, А.В. Борисов // Изв. вузов. Энергетика. - 1982.- № 2. - С. 99-101.

5. Агапов Ю.Н. Влияние высоты псевдоожиженного слоя на параметры газораспределительной решётки / Ю.Н. Агапов, В.И. Лукьяненко, А.П. Бырдин, В.Г. Стогней // Вестник ВГТУ. Серия: Энергетика, Т. 2, №6. 2006, С. 139143.

6. Диксон С.Л. Механика жидкости и газов. Термодинамика турбомашин. - М.: Машиностроение, 1981.

- 212 с.

7. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин / Дж. Гостелоу. - М.: Мир, 1987 - 392с.

8. Шерстюк А.Н. Расчёт течения в элементах турбомашин / А.Н. Шерстюк. - М.: Машиностроение, 1967.

- 187 с.

Воронежский государственный технический университет

EXPERIMENTAL COMPARISON OF GAS-DISTRIBUTION DEVICES FOR THE FORMATION OF CENTRIFUGAL LAYER

D.Y. Agapov, A.A. Nadeyev, K.N. Rodionov, V.G. Stogney, I.Y. Kleynikov

This article describes the experimental studies of gas-distribution devices used for formation a centrifugal fluidized bed of fine-grained material

Key words: centrifugal fluidized bed, gas-distribution grid, hydraulic resistance, angle of installation of the profile blade