Характеристики и расчет эжекционного пневмозатвора
Автор: Спиридонов Евгений Константинович, Гришина Елена Александровна, Подзерко Александр Викторович
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 1 (52) т.11, 2011 года.
Бесплатный доступ
Представлена расчетная модель и даны основные характеристики энерционного пневмозатвора. Разработан метод выбора пневмозатвора с минимальным энергопотреблением.
Пневмозатвор, газодинамика, струйные течения, эжекционные аппараты, характеристики, расчет параметров
Короткий адрес: https://sciup.org/14249495
IDR: 14249495
Текст научной статьи Характеристики и расчет эжекционного пневмозатвора
Основная часть. На рис.1 приведена схема типового реактора с боковой загрузкой твердого сыпучего вещества. Избыточное давление, возникающее в реакторе в процессе работы, способствует появлению вредных выбросов в окружающую среду через канал загрузки. Установка пневмозатвора на узле загрузки позволит предотвратить вынос вредных газов в помещение цеха [1].
Рис. 1. Печь с противодавлением
В данной статье представлены расчетная модель и основные характеристики эжекционно-го пневмозатвора. В качестве исходной была принята схема газового струйного аппарата с центральным сверхзвуковым соплом (рис.2). Основным параметрам потока (абсолютные давление р и температура Т , плотность ρ , средняя скорость потока V , площадь А ) присваиваются индексы, соответствующие номеру сечения на рис.2.
Рис.2. Расчетная схема эжекционного пневмозатвора
В зависимости от противодавления в реакторе р5 возможны различные режимы работы пневмозатвора [1]. В качестве расчетного был принят режим, при котором противодавление со стороны рабочей камеры достигает предельного значения (р5 = рпр), эжектирование газа со стороны патрубка загрузки прекращается, и поступление сырья в реактор осуществляется под действием силы тяжести. На этом режиме перепад давлений, развиваемый аппаратом, достигает максимального значения. Преобразуя типовую характеристику газового инжектора [2] в соответствии с указанными условиями, получаем:
——p 2_ _ A p 52 _ k n * q * Р1 ф 0 ф 3 Х 0 -e * —— 0,5 ^ 0 * —
P 2 P 2 P 2 L (Ф 4 ) V ,
В этом выражении относительная площадь горловины сопла О * = А * /А3 - основной геометрический параметр эжекционного пневмозатвора; φ 0 , φ 3 и φ 4 – коэффициенты скорости сопла, рабочей камеры и диффузора (при гидравлически совершенном исполнении элементов проточной части φ 0 =0,95; φ 3 =0,875; φ 4 =0,81); П * , ε * – критические значения газодинамических функций давления и плотности; k – постоянная адиабаты. Для воздуха П * = 0,528; ε * =0,634, k =1,4 .
Удельный массовый расход активного воздуха в расчете на единицу площади смесительной камеры в соответствии с уравнением неразрывности [2] имеет вид:
m. к П,
— =--- О» рх , A 3 V * * 1
где критическая скорость газового потока:
V *
2 kRT 1
к +1
Подставляя в уравнения (1) и (2) числовые значения коэффициентов скорости φ , постоянной адиабаты k , газодинамических функций ε * и П * , принимая во внимание уравнение состояния совершенного газа и формулу (3), получаем после преобразования систему уравнений:
0,615 О * Х 0 ^1 - 0,344 О *2 - p 15- P 5 - P 2 = 0; (4) p 2 p 2 p 5 Т 1 p 2
m 1 _ 0,04 0 * P l . (5)
A 3 T 1
Уравнения (4) и (5) являются аналитическим выражением характеристики эжекторного пневмозатвора, устанавливающим зависимость относительной площади горловины сопла О * и удельного расхода воздуха m 1 / А 3 от абсолютных давления в приемной камере пневмозатвора p 2 , противодавления p 5 и температуры активного воздуха Т 1 .
Некоторые результаты расчетов по уравнениям (4) и (5) представлены на рис.3 в виде графиков зависимости массового расхода активного воздуха m 1 от температуры перед соплом Т 1 при различных площадях горловины сопла А * и давлениях питания р 1 . При этом в качестве расчетных были приняты следующие условия работы пневмозатвора: диаметр смесительной камеры (загрузочной трубы) D 3 = 300 мм; максимальное абсолютное давление на выходе аппарата p 5 =115 кПа; абсолютное давление в приемной камере p 2 =100 кПа.
Из графиков видно, что с увеличением температуры воздуха перед соплом T1 существенно снижаются массовые расходы эжектора m1 и, следовательно, повышается экономичность пневмозатвора. Таким образом, целесообразно использовать энергию тепла, выделяющегося в реакторе. Это позволяет конструктивная схема аппарата, приведенная на рис. 4 [3]. Особенностью данной конструкции является подвод активного газа со стороны реактора через кольцевой зазор между корпусом и камерой смешения с одновременным подогревом. Кроме того, кольцевой подвод активного газа снижает износ проточной части аппарата твердой фракцией эжектируемой смеси.

450 550 650 750 850 Т 1 , К
Рис.3. Зависимость массового расхода активного воздуха от температуры

воздух
Рис.4. Эжекционный пневмозатвор с кольцевым соплом (пат. № 90547)
сырье Исследование удобнее проводить, используя без размерные характеристики, а к размерным параметрам переходить на этапе профилирования проточной части аппарата.
Для получения безразмерной характеристики введем следующие параметры: ε 12 = р 1 / р 2 – степень падения давления на сопловом устройстве; ε 52 = р 5 / р 2 – степень повышения давления пассивного потока; Ψ Т = Т 5 / Т 1 – соотношение температур.
После подстановки в уравнение (4) получаем:
0,615Ω * λ 0 ε 12 -0,344Ω * 2 ε 12 Ψ T -ε 52 +1=0 . (6)
ε 52
Результаты расчета относительной площади сопла Ω* для воздуха (k=1,4; R=287 Дж/кг∙К) при одинаковых температурах активного газа и смеси в реакторе (ΨТ =1), различных значениях степени падения давления на сопловом устройстве ε12 и степени повышения давления пассив ного потока ε52 показаны в виде семейства кривых на рис.5.
Влияние соотношения температур смеси в реакторе и активного газа на зависимость относительной площади сопла Ω * от степени падения давления ε 12 при различных значениях ε 52 пока- 45
зано на рис.6. При этом в каждой группе графиков (при одинаковом ε 52 ) нижняя линия соответствует значению Ψ Т =1, средняя линия – Ψ Т =2, а верхняя – Ψ Т =3.

Рис. 5. Влияние противодавления на безразмерную характеристику пневмозатвора

Рис.6. Влияние относительной температуры активного воздуха на характеристику пневмозатвора при нескольких ε 52
Из графиков на рис.6 видно, что при постоянном падении давления на сопловом устройстве ε 12 повышение температуры Т 5 в реакторе вызывает увеличение площади проходного сечения горловины сверхзвукового сопла А * , что можно объяснить бόльшим потребным расходом активного воздуха.
Вместе с тем при постоянных размерах элементов проточной части (площади горловины сопла А * и площади смесительной камеры А 3 ) увеличение температуры в реакторе Т 5 требует повышения давления питания р 1 .
Вышеприведенные зависимости могут служить основой для расчета ключевых геометрических показателей струйного пневмозатвора. Используя параметры воздуха в линии питания р 1 , Т 1 и газа в реакторе р 5 , Т 5 в качестве исходных, на основании уравнений (4)–(6) и графиков на рис.5 и 6 можно аналитическим или графическим путем рассчитать относительную площадь сопла. Приняв в первом приближении диаметр смесительной камеры D 3 равным диаметру патрубка загрузки, можно рассчитать площадь критического сечения сверхзвукового сопла. Далее определяются величина массового расхода активного газа m 1 , а также площадь выходного сечения сверхзвукового сопла А 0 (с использованием газодинамических функций). Осевые размеры основных элементов пневмозатвора (сопла, камеры смешения, диффузора) определяются по традиционным методикам для газовых эжекторов [2, 4, 5].
В качестве примера рассмотрим исходные параметры, соответствующие условиям работы типового химического реактора: диаметр загрузочной трубы, равный диаметру смесительной камеры, D 3 =300 мм, максимальное абсолютное давление в реакторе p 5 =115 кПа, барометрическое давление в помещении цеха p 2 =100 кПа.
Результаты расчета массового расхода активного воздуха m 1 и площади горловины сопла А * при нескольких давлениях питания р 1 и температуре Т 1 =673 К активного воздуха перед соплом пневмозатвора представлены в таблице.
Результаты расчета массового расхода воздуха перед соплом пневмозатвора
Давление питания p 1 , кПа |
Площадь критического сечения сопла А * , мм2 |
Массовый расход воздуха m 1 , кг/с |
300 |
5650 |
2,59 |
400 |
3770 |
2,30 |
500 |
2825 |
2,16 |
Из таблицы видно, что с увеличением температуры воздуха перед соплом T 1 существенно снижаются потребные массовые расходы воздуха m 1 и, следовательно, повышается экономичность пневмозатвора. Таким образом, очевидна целесообразность утилизации тепла, выделяющегося в печи при сгорании сырья.
Выводы. Предложена оригинальная конструктивная схема пневмозатвора – устройства, предотвращающего выбросы агрессивных газов из реакторов в окружающую среду. Рассчитаны и проанализированы характеристики пневмозатвора эжекционного типа, устанавливающие зависимость основных размеров устройства от режимных параметров.
Список литературы Характеристики и расчет эжекционного пневмозатвора
- Гришина Е.А. Рабочий процесс и конструкции эжекционного пневмозатвора/Е.А. Гришина, Е.К. Спиридонов, А.В. Подзерко//Динамика машин и рабочих процессов: сб. докл. всерос. науч.-техн. конф. -2009. -С.41-46.
- Соколов Е.Я. Струйные аппараты/Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. -3-е изд., перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -352 с.
- Пат. 90547 RU, МПК F27B 15/08. Эжекционный пневмозатвор устройства для загрузки сыпучих материалов/Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, А.В. Подзерко. -№2009136364/22; заявл. 30.09.2009; опубл. 10.01.2010. Бюл. №1. -2 с.
- Успенский В.А. Струйные вакуумные насосы/В.А. Успенский, Ю.М. Кузнецов. -М.: Машиностроение, 1973. -144 с.
- Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: в 2 ч. Ч.1. Учеб. руководство для втузов/Г.Н. Абрамович. -5-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука: Гл. ред. физ-мат. лит., 1991. -600 с.
- Grishina E.A. Rabochii process i konstrukcii ejekcionnogo pnevmozatvora/E.A. Grishina, E.K. Spiridonov, A.V. Podzerko//Dinamika mashin i rabochih processov: sb. dokl. vseros. nauch.-tehn. konf. -2009. -S.41-46. -In Russian.
- Sokolov E.Ya. Struinye apparaty/E.Ya. Sokolov, N.M. Zinger. -3-e izd., pererab. -M.: Energoatomizdat, 1989. -352 s. -In Russian.
- Pat. 90547 RU, MPK F27B 15/08. Ejekcionnyi pnevmozatvor ustroistva dlya zagruzki sypuchih materialov/E.K. Spiridonov, E.A. Grishina, A.V. Podzerko. -№2009136364/22; zayavl. 30.09.2009; opubl. 10.01.2010. Byul. №1. -2 s. -In Russian.
- Uspenskii V.A. Struinye vakuumnye nasosy/V.A. Uspenskii, Yu.M. Kuznecov. -M.: Mashinostroenie, 1973. -144 s. -In Russian.
- Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika: v 2 ch. Ch.1. Ucheb. rukovodstvo dlya vtuzov/G.N. Abramovich. -5-e izd., pererab. i dop. -M.: Nauka: Gl. red. fiz-mat. lit., 1991. -600 s. -In Russian.