2014-02-24
1921
Контрольные вопросы
Литература
1 осн. [5-15],
2 доп. [3-7]
- Виды топлива
- Условное топливо
- Теплота сгорания
- Жидкое топливо
Лекция 14. Основы аэродинамики. Аэродинамика тепловых установок.
Наука, изучающая законы движения газовой среды, называется аэродинамикой. Во многих нагревательных установках — сушильных, печных, пропарочных — нагрев материалов осуществляется потоком движущихся с определенной скоростью горячих газов при давлении, близком к атмосферному. В этих условиях газ по своей природе близок к несжимаемой жидкости.
Наиболее благоприятные условия теплообмена между газами и нагреваемым материалом устанавливаются, если газ движется непрерывной струей и с постоянной скоростью.
Теплообмен между потоками горячих газов, обтекающих нагреваемый материал, происходит значительно быстрее при турбулентном режиме движения, чем при ламинарном. Однако при турбулентном режиме в потоке газа оказывается больше сопротивлений его движению. Поэтому для трубопроводов, предназначенных только для транспортировки газа, он не рекомендуется.
|
|
|
Движение газа в трубопроводе возникает под воздействием силового поля неравномерно распределенного давления (давление во входном и выходном сечениях трубопровода неодинаково). В практике работы тепловых установок, где в качестве теплоносителя применяют несжимаемый реальный газ, различают следующие виды давления: статическое рс, динамическое рДШ1 и гравитационное рг. Кроме этого, учитывают потери давления на преодоление трения газа о стенки по длине канала и в местных сопротивлениях Ра-Статическое давление характеризует потенциальную энергию газа и может быть измерено U-образным манометром.
Если давление в установке выше атмосферного, значение статического давления имеет положительный знак, если ниже атмосферного— отрицательный знак, и в установке создается разрежение (вакуум). Если давление в установке равно атмосферному, то Р=0.
В тепловых установках, не имеющих герметичных уплотнении,— сушильных камерах, печах, пропарочных камерах и пр., корпус которых не рассчитан на работу под повышенным давлением, статическое давление, как правило, поддерживается равным атмосферному во избежание выбивания газов в рабочее помещение. Статическое давление играет большую роль в паровых котлах при транспортировке пара к потребителю и паровых турбинах.
Гравитационное давление.
Само название давления указывает на его связь с геометрической отметкой высоты столба газа Н площадью основания в 1 м2.
На рис. 1.17 представлена схема работы пламенной печи, снабженной дымовой трубой, создающей естественную тягу. Горячий газ, заполняющий рабочее пространство печи, движется непрерывным потоком, отдавая свою теплоту обжигаемым п печи изделиям, по направлению к дымовой трубе и через нес покидает печь.
|
|
|
Под действием гравитационного давления холодный воздух стремится вытеснить горячие дымовые газы и, соприкасаясь с топливом, вступает с ним в химическое взаимодействие, в результате чего снова образуются горячие дымовые газы.
Потери давления на преодоление сопротивлений имеют большое значение при проектировании тепловых установок и в основном определяют необходимую величину располагаемого давления для обеспечения устойчивого движения потока газа.
Характер работы высокопроизводительных современных тепловых установок отличается интенсификацией теплообмена в них. С этой целью нагревают материалы в кипящем слое, в турбулентных потоках теплоносителя. Все эти способы требуют высоких значений динамического давления, а следовательно, и большого расхода электроэнергии на его создание. В этом случае для уменьшения расхода электроэнергии идут по пути уменьшения до минимума всех сопротивлений движению газов, особенно местных.
При повороте канала или изменении его сечения следует применять не резкие, а плавные повороты под углом 90° и сечения изменять с помощью специальных переходных патрубков.
Дымовые трубы
В установках сравнительно небольшой мощности, сопротивление газового тракта которых не превышает 400— 500 Па, а температура отработавших газов не ниже 573 К (300 °С), применяют естественную тягу при помощи труб. Согласно требованиям санитарных норм проектирования промышленных предприятий, высота дымовой трубы не должна быть ниже 30 м во избежание загрязнения окружающей среды дымовыми газами. Предельная высота трубы определяется из условия ее строительной прочности и экономическими соображениями.
Дымовые трубы делают кирпичными, бетонными из жаростойкого либо обычного бетона и металлическими, футерованными огнеупором.
Высота дымовой трубы может быть определена формулой гравитационного давления для летних условий работы в данной местности с учетом влияния на тягу атмосферного давления.
Диаметр устья трубы определяют по допустимой в кем скорости выхода газов: в пределах 2—4 м/с при естественной тяге и 8— 15 м/с при установке дымососа. В этом случае труба служит только для выброса газов в атмосферу. Уклон стенок принимают в пределах 0,015—0,03 с расширением книзу. Дымовые трубы для указанных условий создают надежную тягу и достаточно экономичны.
Для установок с большим сопротивлением газового тракта применяют искусственную тягу вентиляторами.
Вентиляторные установки
Вентиляторы разделяют на центробежные и осевые. В осевых — поступление и выход воздуха происходят в направлении оси вентилятора, а в центробежных — воздух поступает в центр вращающегося колеса, а выходит касательно поверхности спирального кожуха, т. е. перпендикулярно входу.
Осевые вентиляторы (рис. 1.18) имеют широкий кольцеобразный кожух. В центре его на валу установлено лопастное колесо. Частота вращения крыльчатки равна частоте вращения двигателя. Осевые вентиляторы не создают больших напоров и применяются для перемещения больших объемов воздуха.
Для перемещения газов в тепловых установках используют в основном центробежные вентиляторы (1.19). В кожухе, имеющем форму спирали Архимеда, устанавливают колесо с лопатками (ротор). Лопатки могут быть радиальными, загнутыми вперед и назад по направлению движения колеса. Большее применение находят лопатки, загнутые вперед. Они создают большее давление при тех же угловых скоростях, хотя имеют меньший КПД, чем лопатки, загнутые назад. -Ротор вентилятора может быть соединен с двигателем непосредственно или через клиноременную передачу.
|
|
|
Всасывающее отверстие находится в центре кожуха. При входе в него частицы воздуха под действием центробежной силы, возникающей при вращении ротора, попадая на лопатки, отбрасываются ими к периферии кожуха и движутся с большой скоростью по спиральному кожуху в направлении нагнетательного патрубка. Перед всасывающим патрубком вентилятора создается разрежение, после нагнетательного — давление.
По создаваемому давлению вентиляторы делят на три группы: низкого давления (до 1 кПа), среднего (до 3 кПа) и высокого давления (от 3 до 15 кПа).
Выбор вентилятора
Выбор вентилятора производят по справочным таблицам и номограммам. Номограммами устанавливается зависимость между подачей, полным давлением, а также КПД при определенной частоте вращения рабочего колеса. Кроме этого, в номограмме имеется кривая потребляемой мощности. Исходными данными для выбора вентилятора являются подача, т. е. объем пропускаемого за час газа, и полное давление.
Вентиляторы выпускают сериями на разные давление и подачу в зависимости от его номера и характеристики с учетом условий их работы. Например, дымососы рассчитаны на работу при более высоких температурах газов, чем вентиляторы, поэтому их выполняют из жаропрочных материалов с подшипниками водяного охлаждения.
Каждая серия вентиляторов ориентирована для определенной отрасли промышленности. В частности, вентиляторы Всесоюзного научно-исследовательского института санитарно-технического оборудования (ВНИИСТО) серий ВРН, ВРС, BP, ВВД, а также вентиляторы серий используют в промышленности строительных материалов.
При выборе вентиляторов следует иметь в виду, что справочные таблицы и номограммы для их подбора составлены для воздуха с р2о=1,2 кг/м3 при г = 293 К (20°С).
Если при выборе вентилятора окажется, что несколько вентиляторов обеспечивают заданную подачу и давление, то следует остановиться на том из них, который будет работать с наибольшим КПД. Выбрав номер вентилятора данной серии, устанавливают частоту вращения ротора п.
|
|
|
В процессе работы тепловых установок часто встречаются с необходимостью изменения количества подаваемого вентилятором газа и его давления. Для этого приходится прибегать к регулированию работы вентилятора, устанавливая регулирующие устройства дроссельные заслонки, шиберы и др.). Такой способ регулирования хотя и прост, но малоэкономичен. Наиболее совершенным способом является изменение частоты вращения ротора гидромуфтами или реостатом. При этом необходимо знать зависимость основных характеристик вентиляторов от частоты вращения: подачу (м3/ч), давление (Па), мощность (кВт).
Потери при трении, местные сопротивления, геометрический напор, динамический напор, сопротивление садки для штучных, сыпучих и волокнистых материалов.
Условия движения сушильного агента в сушилках, газов в печах, пара в установках для тепловлажпостной обработки определяют интенсивность тепло- и массообмена, распредление температур, а также взаимодействие среды с материалами, подвергаемыми тепловой обработке. Сушильный агент, топочные газы и пар по сравнению с обрабатываемым ими материалами имеют более высокую степень нагрева и при движении передают тепловую энергию материалам, окружающим их поверхностям и окружающей среде. Поэтому далее будем называть их одним термином — теплоноситель.
Движение теплоносителя в сушильных установках и печах осуществляется под действием внутренних и внешних, приложенных извне, сил. Внутренние силы теплсителя возникают вследствие разности удельных масс в различных частях среды. Разность удельных масс возникает из-за неодинаковых значений температур и влагосодержания. Частицы теплоносителя с большей удельной массой опускаются вниз, с меньшей — поднимаются вверх. Появляется так называемая естественная циркуляция потока. Такая циркуляция, которую ранее использовали в камерных сушилках и печах для интенсификации режимов тепловой обработки и повышения производительности агрегатов, при сокращении сроков тепловой обработки неэффективна.
Приложенные извне силы создают принудительное движение теплоносителя вследствие создания разности давлений на необходимом пути его движения. Созданная искусственно, при помощи вентиляторов, разность давлений заставляет теплоноситель передвигаться по каналам, трубопроводам и тепловым установкам. Если теплоноситель перемещается в трубопроводе или в установке неразрывным потоком от одного сечения к другому, то движение может осуществляться только под действием разности напоров, которая затрачивается на преодоление сопротивлений.
Движение теплоносителя по подводящим каналам, установке и отработанного агента по отводящим каналам образует аэродинамическую систему тепловой установки. Для различных тепловых установок в зависимости от требований технологии конструируют различные аэродинамические системы. Чтобы теплоноситель двигался по выбранной схеме аэродинамической системы, необходимо научиться определять сопротивление такой системы и в зависимости от него выбирать необходимые устройства, создающие заданный расчетом напор для движения теплоносителя.
