Гидродинамика одно-и двухфазных потоков в вихревом аппарате

УДК 66.011

Л.М. Кочетов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин

Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ГИДРОДИНАМИКА ОДНО-И ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ВИХРЕВОМ АППАРАТЕ

Are examined the special features of hydrodynamics of the disk vortex camera, intended for the heat the treatment of dispersed material (for example drying). Is determined the nature and the basic parameters of flow one- and two-phase of flows in the camera. A evaluation of losses of head is made. It is established that the specific resistance of camera is determined by its geometric relationships and practically it does not depend on the flow of gas and properties of the dispersed material.

Рассмотрены особенности гидродинамики дисковой вихревой камеры, предназначенной для термической обработки дисперсного материала (например сушки) при непосредственном контакте с закрученным потоком газообразного теплоносителя. Определен характер и основные параметры течения одно-и двухфазного потоков в камере. Произведена оценка потерь напора. Установлено, что коэффициент сопротивления камеры определяется ее геометрическими соотношениями и практически не зависит от расхода газа и свойств дисперсного материала

Дисковая вихревая камера имеет форму короткого цилиндра с центральным отверстием для выхода газовзвеси. Подача газообразного теплоносителя в вихревую камеру осуществляется через один или несколько тангенциальных каналов, расположенных по внешней окружности камеры. При этом ось вихревой камеры может быть расположена вертикально или горизонтально.

Дисковые вихревые камеры имеют небольшую относительную ширину (B/D<0,5) благодаря чему в них практически отсутствуют осевые потоки, vz~ 0. Поэтому движение потока может рассматриваться как двухмерное, характеризующееся наличием только радиальной vr и окружной составляющих скорости v9. Распределение окружных скоростей однофазного газового потока в камере имеет осесимметрич-ный характер и может быть выражено соотношением:

где Vф - окружная скорость газового потока; г- радиус рассматриваемой точки по отношению к геометрической оси камеры; ^ показатель степени, зависящий от радиальной координаты, а также от геометрических размеров и соотношений камеры. В периферийной зоне камеры, где движение газового потока имеет квазипотенциальный характер, к~ 0,5-0,6. Окружные скорости однофазного газового потока возрастают от периферии камеры к центру, достигая максимальных значений при г ~0^0; здесь d0-диаметр центрального выходного отверстия аппарата. В центральной зоне камеры (при г < 0^0) характер движения газового потока изменяется и преобразуется в квазитвердое вращение, к ~ -1. При этом, даже при наличии лишь одного тангенциального газохода, распределение осевых скоростей газа соответствует осесимметричному течению потока.

Распределение радиальных скоростей газа представлено уравнением:

Уравнения (1) и (2) можно преобразовать к виду:

, г^г

^ = Сг - ;

_ А . С-

где У-расход газа; В-ширина камеры; суммарная высота тангенциальных каналов; 8- коэффициент, учитывающий снижение скорости потока газа непосредственно после тангенциального канала. Для дисковых узких, камер 8 ~ 1.

Из уравнений (3 и 4), после интегрирования, при начальных условиях г=Я при ф=0, можно получить уравнение, описывающее траекторию квазипотенциального движения однофазного потока газа в дисковой камере.

г = [ + (к -1)-^ ^

2яеЯ

Полученное уравнение справедливо в диапазоне го <г < Я; где го= 0,5ё0.

Принимая, на основании экспериментальных данных: 8 ~ 1; к ~ 0,5, для камеры с одним тангенциальным газоходом, имеющим высоту Ь=0,Ш, уравнение (5) может быть преобразовано к простому виду:

Экспериментальное определение траектории движения однофазного газового потока было проведен в камере диаметром 240 мм и шириной 35 мм. Установлено, что при всех расходах газа лини тока были одинаковыми и достаточно точно соответствовали траектории, рассчитанной по формуле (6). Это указывает на автомодельный, по отношению к расходу, характер течения газа в камере. Полученная картина структуры газового потока сохранялась без изменения практически по всей ширине камеры. Лишь в непосредственной близости от торцевых стенок, линии тока проходили более круто, что связано со снижением окружных скоростей в результате трения.

Потери напора в дисковых вихревых камерах определяются расходом газа и геометрическими соотношениями камеры. При постоянных геометрических размерах и соотношениях камеры, зависимость потерь напора от расхода газ носит квадратичный характер.

Суммарные потери напора в вихревой камере складываются из потерь напора непосредственно при входе газового потока в камеру АРвх, потерь напора в объеме камеры ДРоб, и потерь напора при выходе потока газа из камеры АРВых.

Относительная доля каждой из указанных составляющих зависит от геометрических соотношений камеры, в первую очередь от относительного размера выходного отверстия, ё0/О, поскольку именно в выходном отверстии камеры, в случае однофазного потока, окружные скорости газа достигают максимальных значений.

Условия входа газа в камеру, для однофазного потока, оказывают значительно меньшее влияние на общую величину потерь напора; однако при значениях Рвх/Рк.< 0,02, доля этих потерь может достигать 40%. Потери напора при входе в камеру связаны, прежде всего, с турбулентными завихрениями, обусловленными расширением газовой струи, выходящей из тангенциального сопла.

Оценка потерь напора в объеме камеры, между входным и выходным створами ее, может быть проведена при рассмотрении равновесия дугового элемента вращающегося газового потока, на который действует центробежная сила, направленная от центра к периферии камеры, и сила, обусловленная градиентом статического давления

газа, направленная от центра к периферии. Условие равновесия этих сил, можно отобразить уравнением:

^ОБ1^

г

Используя уравнение (1), можно преобразовать уравнение (8) к виду:

^

Интегрирование уравнения (9) позволяет получить распределение статического давления газа в вихревой камере по ее радиусу:

1

где рГ- плотность газа; рг- статическое давление в камере на радиусе г; ря- статическое давление на периферии камеры.

Принимая во внимание квадратичный характер зависимости потерь напора от расхода, суммарную величину потерь можно отобразить известной формулой:

2

где V- средняя скорость газа в тангенциальном газоходе; - коэффициент сопротивления, определяемый геометрическими размерами камеры.

В результате обработки экспериментальных данных, полученных в камерах Б=0,12 м; 0,24 м; 0,48 м. было получено уравнение, характеризующее зависимость коэффициента от основных геометрических размеров камер:

Уравнение (12) было получено при изменении геометрических параметров камеры в диапазонах : =0,06-0,20; Ь/Б=0,2-0,6; do/D= 0,2-0,8.

Значения степенных показателей: а =1; Ь =0,5; п = -2,3; Х=11, при d0/D= 0,2-0,45 ; п= -1,1; Х=30 при do/D= 0,45-0,8 .

Величина коэффициента Х, кроме этого, зависит от конструкции канала, предназначенного для отвода газа.

Присутствие дисперсного материала в вихревой камере существенным образом влияет на величину и распределение скоростей газового потока, а также на величину гидравлического сопротивления камеры [1,2]. За счет передачи части кинетической энергии дисперсному материалу, скорость газа непосредственно за входным створом резко снижается. Степень снижения скорости возрастает с увеличением количества дисперсного материала, загруженного в камеру, что подтверждается результатами измерений.

Наибольшие изменения профиля окружных скоростей газа имеют место в периферийной зоне камеры, где движется основная масса дисперсного материала. При этом при загрузках, составляющих менее 50% от максимально возможной загрузки (удерживающей способности камеры, q0), изменения скорости газового потока наиболее существенны. При дальнейшем увеличении загрузки камеры, до значений q =q0, профиль скоростей изменяется менее резко.

Полученные результаты свидетельствуют о нарушении осесимметричности течения газа для двухфазного дисперсного потока по сравнению с однофазным, в особенности в периферийной зоне камеры. В центральной области камеры, за пределами периферийного кольцевого слоя материала, характер течение потока, близкий к осесим-

метричному, сохраняяется и для двухфазной системы. При этом линии тока газа, в случае двухфазного потока проходят более круто, что свидетельствует о снижении окружных скоростей газа в центральной зоне камеры. Важно отметить, что линии тока газа в свободной от дисперсного материала центральной части камеры оказываются практически одинаковыми для различных материалов. При этом материалы могут существенно отличаться по своим свойствам, в первую очередь дисперсному составу. Расход газа также практически не влияет на направление линий тока, что свидетельствует об авто-

модельности отношения 1 по отношению к расходу газа. Поле статических давлений газа, напротив, не утрачивает осевой симметричности даже при максимальных загрузках камеры дисперсным материалом.

Изменение профиля окружных скоростей газа, в результате загрузки в камеру дисперсного материала, оказывает существенное влияние на величину гидравлического сопротивления камеры. Отношение коэффициентов сопротивле-ния заполненной материалом и пустой камеры 1 % снижается особенно существенно при относительно малых загрузках аппарата, ч 1 Чо < 0,4. В дальнейшем изменяется мало, достигая минимальных значений при ч ~ Чо.

Важной особенностью вихревых камер, работающих с двухфазным диспер-сным потоком, является постоянство потерь напора для различных материалов, при одинаковых значениях расхода газа и одинаковых относительных загрузках дисперсного

материала в камеру, Ч 1 Чо . Экспериментальные точки хорошо описываются квадратичной зависимостью = ' ' 1 '. При этом абсолютные величины удерживающей способности камеры q0 по каждому конкретному материалу могут различаться в несколько раз. Квадратичная зависимость потерь напора в камере от расхода воздуха и автомо-дельность этой величины по отношению к физико-механическим свойствам дисперсного материала указывает на подобие полей скоростей газового потока, несмотря на существенные различия в свойствах материалов.

Принимая, что в периферийной зоне камеры радиальный сток газа имет место только в пределах разгонного участка камеры и распределен по нему равномерно, можно оценить величину расширения газовой струи по длине участка:

где /- расстояние от створа тангенциального сопла до рассматриваемого сечения; а — величина углового сектора, на котором происходит радиальный сток газа.

Для однофазного потока, с учетом осесимметричности течения газа, а = 2! . В случае двухфазного потока сектор радиального стока газа уменьшается тем в большей

степени, чем выше относительная загрузка камеры материалом, Ч / Чо . При Ч / Чо =1 зона радиального стока уменьшается до размеров участка, на котором происходит разгон твердых частиц, а именно .

Скорость газового потока V2 в конце разгонного участка (/=5):

или ^2 = V*

Из уравнения (14) можно заключить, что скорость газового потока в конце участка разгона частиц зависит только от начальной скорости газа V]. Поэтому при одинаковых расходах газа и одинаковой конфигурации входного створа, наблюдается адекватность полей скоростей газа в камере, не зависимо от свойств дисперсного материала. Это обстоятельство обуславливает постоянство потерь напора для различных материалов, при одинаковых значениях расхода газа и одинаковых относительных загрузках дисперсного материала Ч1 Чо. Суммарные потери напора в вихревой камере

в присутствии твердой фазы, могут быть представлены, как и для однофазного потока, в виде суммы потерь напора непосредственно при входе газового потока в камеру АРвх, потерь напора в объеме камеры АРоб, и потерь напора при выходе потока газа из камеры АРвых.

Однако, в отличии от однофазного потока, в этом случае, основная доля общих потерь приходится на величину АРвх. Поскольку статическое давление вдоль газовой струю, поступающей в камеру, остается практически неизменным, потери напора газа при входе в камеру можно охарактеризовать уравнением:

уК—е2)

где

После выхода из слоя дисперсного материала, газовая струя, имеющая начальную скорость \2, движется к центру камеры по спиральной траектории, описываемой, как и для однофазного потока, законом квазипотенциального вращения. Потери напора в объеме камеры АРоб , в случае двухфазного потока, можно определить по уравнению (10). Значение коэффицинта С определяется из соотношения:

1

Или 2 где

На уровне центрального выходного отверстия камеры ( г =г0) окружные скоро сти газа, как и в случае однофазного потока, достигают максимальных значений. Ве личина окружных скоростей газа (при г =г0):

= (К/г^/е

Величина радиальных скоростей газа в (при г =г0):

V _ у1Н1

~2Вг 2яг0

Абсолютная скорость газа на уровне выходного отверстия Тогда потери напора в выходном створе составят:

ар! ^ (/02 С А'

2 , где е

Общий коэффициент сопротивления камеры £ является суммой частных коэффициентов:

Из вышеизложенного следует, что общий коэффициент сопротивления £ не зависит от расхода газа и, при определенных геометрических соотношениях камеры, является величиной постоянной. Таким образом, зависимость потерь напора в вихревой камере, как в случае однофазного, так и двухфазного потоков от расхода газа, имеет квадратичный характер. Это подтверждается результатами экспериментов.

Список литературы

1. Сажин, Б.С. Удерживающая способность и структура потоков в вихревых аппаратах/ Б.С.Сажин, Л.М.Кочетов, А.С.Белоусов //ТОХТ, 2008, № 2.

2. Белоусов, А.С. Гидродинамическая структура потоков в вихревой сушильной камере/ А.С.Белоусов, Л.М.Кочетов, Б.С.Сажин /Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. - 2003.- Т.ХОД № 13 (38).- С. 94-97.

УДК 378.1

1 2 3 3 3 4

В.Б. Сажин , И. Селдинас , О.С. Кочетов , М.П. Тюрин , Л.М. Кочетов , О. Селдинас ,

3 5 3 3 1

А.С. Белоусов , М.Б. Сажина , М.В. Сошенко , М.В. Чунаев , Т.А. Тарасенко , Я.В. Семенихин1, Е.В. Матушкина1, В.В. Сажин6, Л.И. Кошкин6

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 2Высшая школа нетрадиционной медицины, Нью-Йорк, США

3Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия 4Балто - Скандинавская медицинская сеть "Селдин -Центр", Юрбаркас, Литовская Республика 5Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия 6Высшая школа приватизации и предпринимательства, Москва, Россия

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ КРЕДИТЫ КАК СОЦИАЛЬНЫЕ ИНВЕСТИЦИИ В ПРОФЕСИИЮ НА ЗАЕМНЫЕ СРЕДСТВА

Рассмотрены возможности получения платного образования за рубежом и в России. Сделан вывод о преимуществах платного обучения в России. Проанализированы условия кредитования на образовательные цели в различных банках. Проведена оценка законопроекта об образовательных кредитах и позиции Минобрнауки РФ. Делается общий вывод о недостаточной заинтересованности государства в получении гражданами заемных средств на образование. Проанализированы востребованность и условия оплаты труда молодых специалистов в различных отраслях деятельности. Установлено, при существующих условиях выделения кредитных линий на образование, уровне оплаты молодых специалистов и незаинтересованной позиции государства, банковские учреждения не могут смягчать условия выделения образовательных кредитов, а сами молодые специалисты не в состоянии возвращать заемные средства.

Большинство экспертов образования полагают, что порядка 60% студентов вузов (с учетом и тех, которые не входят в систему Рособразования) обучаются на платной основе. Гарантированное Конституцией страны бесплатное высшее образование, к сожалению, уходит в историю. В случае неуверенных знаний и скромных оценок, перед абитуриентами (и их родителями) встает проблема, как наилучшим образом потратить немалые деньги. В условиях существующей у части граждан армифобии (негативного отношения к военной службе), даже малоимущие семьи готовы платить за образование (часто на заемные средства - путем получения обременительных банковских кредитов). При выборе высшего образовательного учреждения учитываются востребованность будущей специальности и связанные с ней финансовые возможности погашения кредитов на образование. Зачастую рассматривается вопрос получения более затратного зарубежного образования, что, с одной стороны рождает надежду получения работы (пусть даже временной) за рубежом, с другой - гарантирует повышенный интерес со стороны потенциальных работодателей в России. По оценке аналитика А. Кагана, диплом зарубежного вуза - это, по-прежнему, более высокая ступенька на карьерной лестнице, чем диплом вуза отечественного. Однако, на Западе (в отличие от России) деньги не решают проблему поступления. Нужны знания и умения думать, искать и находить информацию, дискутировать. От иностранцев требуют знания языка, на котором ведется преподавание, на уровне практически свободного владения. Самые высокие требования к языку предъявляются к поступающим на гуманитарные, управленческие, экономические, юридические и медицинские специальности - туда, где нужно быстро осваивать