Дисциплина Теплотехника и ТУ Лекция Аэро- и гидродинамика

Дисциплина «Теплотехника и ТУ» Лекция Аэро- и гидродинамика тепловых установок. Ассист. проф. Байсариева Анара Мырзакуловна

План лекции Устройства для перемещения теплоносителей в тепловых установках: вентиляторы, дымососы, эжекторы. Аэродинамика тепловых установок. Потери при трении, местные сопротивления, геометрический напор, динамический напор, сопротивление садки для штучных, сыпучих и волокнистых материалов

АЭРО- И ГИДРОДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК Условия движения сушильного агента в сушилках, газов в печах, пара в установках для тепловлажностной обработки определяют интенсивность тепло- и массообмена, распределение 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 теплоносителя 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. Движение теплоносителя по подводящим каналам, установке и отработанного агента по отводящим каналам образует аэродинамическую систему тепловой установки

. Схема аэродинамического баланса сушильной установки а — графическая схема аэродинамического баланса; б — схема простейшей сушильной установки: аi—начало тракта движения теплоносителя; вi — удаление теплоносителя из тепловой установки

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК Чтобы понять сущность аэродинамической системы или, что то же самое, аэродинамики тепловых устано вок, рассмотрим принципы их действия. На рис. 3. 1 представлена аэродинамическая схема работы простей шей сушильной установки. В топку / подается газ 2 и воздух 3 на горение. Продукты горения опускаются по каналу 4 и попадают в смесительную камеру 5, куда поступает воздух 6, разбавляющий продукты горения. Эти продукты — теперь будем называть их теплоносителем — по каналу 7 забираются вентилято ром 8 и по каналу 9 подаются в сушильную установку 10. По сушильной установке продвигаются полочные вагонетки, загруженные материалом. Размещенный на вагонетке материал называют садкой. Теплоноситель проходит по садке изделий, омывает и нагревает их, ас симилирует влагу и через канал 11 отбирается вентиля тором 12, которым и выбрасывается через трубу 13 в атмосферу. Путь движения теплоносителя показан стрелками. Чтобы придать заданное направление дви жению продуктов горения, воздуха и теплоносителя, не обходимо создать разность давлений на пути их движе ния, что и осуществляют вентиляторы 8 и 12. Теплоноситель в каналах движется по законам гид родинамики и на процесс тепловой обработки это влия не оказывает. От движения теплоносителя в су шильной установке зависит процесс сушки. Теплоноси тель по сушильной камере 10 может двигаться за счет положительного или отрицательного давления (разре жения). Под положительным понимают небольшое, из меряемое в Па, избыточное давление по сравнению с атмосферным, создаваемое в сушильной установке. Под разрежением понимают такое же, но меньшее, чем

аэродинамическая схема работы простейшей сушильной установки /— печь; 2 — система отбора продуктов горения; 3 — система подачи топлива; 4 — система передачи горячего воздуха из зоны охлаждения в зону подогрева; 5 — система подачи холодного воздуха. /, /// — соответственно зоны подогрева, обжига и охлаждения

/— печь; 2 — система отбора продуктов горения; 3 — система подачи топлива; 4 — система передачи горячего воздуха из зоны охлаждения в зону подогрева; 5 — система подачи холодного воздуха. /, /// — соответственно зоны подогрева, обжига и охлаждения

• На рис. 3. 2 показана схема работы простейшей обжиговой печи. Печь 1 условно разделена на три зоны (они показаны цифрами /, ///): зону прогрева, обжи га и охлаждения. Садка материала на вагонетках (показаны прямоугольниками в плане печи) поступает в 70 —зону и с определенными интервалами проталкивается через печь, каждый раз на одну позицию. Таким образом, материал находится определенное время в каждой зоне. Сначала подогревается, потом обжигается и охлаждается. Для охлаждения материала вентилятором 7 из окружающей среды подается воздух, который по каналам 6 попадает в зону ///. Холодный воздух проходит зону охлаждения, отбирает теплоту от материала, сам нагревается и в качестве вторичного воздуха попадает в зону обжига //. Сюда посредством горелок 5 подают топливо — газ и первичный воздух.

• Движение теплоносителя в простейших печах также создает неравномерный нагрев и охлаждение изделий по высоте садки. Холодный воздух поступает в зону охлаждения под избыточным давлением. На него также действуют две силы, аналогичные рассмотренным применительно к сушильным установкам. Эти силы при одновременном горизонтальном движении нагреваемого от материала теплоносителя заставляют большую его часть двигаться по верхней части туннеля. Поэтому верхние ряды садки материала охлаждаются быстрее, чем нижние. Перепад температур по вертикали в туннеле составляет для зоны охлаждения 40— 50 °С. • Если учесть, что для полного охлаждения продукции температура ее должна быть тоже снижена до 40— 50 °С, то из за более длительного охлаждения нижних рядов садки приходится удлинять зону, увеличивать срок охлаждения материала. Кроме зоны охлаждения значительны перепады температур по высоте и в зоне подогрева.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК • Задача аэрогидродинамических расчетов тепловых установок — определение потерь давления на пути движения теплоносителя. Предположим, что необходимо установить потери давления при движении теплоносителя по сушильной установке от точки а, до точки Ь • На пути движения теплоносителя встречаются различные каналы, происходит смешение газовых потоков, изменяются сечения каналов, есть повороты, установка с садкой материала и отводящие каналы также с поворотами и меняющимся сечением. • Для транспортирования теплоносителя в каналах и тепловых установках, как правило, используют относительно небольшое давление, порядка ±(200— 300) Па. При таких давлениях теплоноситель можно считать не-сжимаемым. Физический смысл движения несжимаемого теплоносителя описывается законом Д. Бернулли. Уравнение Бернулли, выражающее закон сохранения энергии для различных сечений канала, по которому движутся газы, не встречая сопротивлений, можно записать в виде

• При преодолении садок изделий в тепловых установках теплоноситель испытывает довольно сложное сопротивление, которое складывается из потерь давления на трение, изменение сечений, завихрения, изменения направления движения и т. п. Эти потери называют потерями на сопротивление садок и обозначают ДРс • На пути движения теплоносителя могут встречаться участки, на которых он поднимается вверх или опускается вниз. Здесь действует сила давления гидростатического столба газа (жидкости). Теплоноситель, так как он легче окружающего воздуха, за счет температуры нагрева стремится подняться вверх. Если есть необходимость опустить теплоноситель, то приходится затратить давление на преодоление его подъемной силы. Эти потери называют потерями на преодоление гидростатического столба жидкости или газа и обозначают АРГ. Следовательно, полное сопротивление каналов, трубопроводов и садки, или необходимый для преодоления их сопротивления полный напор давления ДРП, составит, например, для участка аЪ

Все указанные сопротивления (потери давления) определяют по приводимым ниже формулам. Потери давления в трубах и каналах на трение определяют по формуле Потери давления на местные сопротивления подсчитывают так

Сопротивление садок материала значительно сложнее. Основой для определения сопротивления садок служит формула сопротивлений трения, которую представим в следующем виде и проанализируем: На пути движения теплоносителя могут встречаться участки, на которых он поднимается вверх или опускается вниз. Здесь действует сила давления гидростатического столба газа (жидкости). Теплоноситель, так как он легче окружающего воздуха, за счет температуры нагрева стремится подняться вверх. Если есть необходимость опустить теплоноситель, то приходится затратить давление на преодоление его подъемной силы.

Для слоя кусковых и сыпучих материалов • . В зависимости от скорости движения газов кусковые и сыпучие материалы могут подвергаться тепловой обработке в фильтрующемся через неподвижный слой потоке теплоносителя или в кипящем слое. Потери давления на преодоление сопротивления неподвижного, находящегося на колосниковой решетке слоя кусковых и сыпучих материалов в общем виде также представляют формулой

Советскими учеными А. А. Акопяном, А. Г. Касаткиным, М. А. Аэровым, Л. С. Лейбензоном и др. была создана модель структуры пористого слоя. Модель представляется в виде «идеального слоя» , состоящего из ряда цилиндрических пор, оси которых параллельны. Этот идеальный слой моделируют «фиктивным слоем» из шаров одинакового диаметра, равным диаметру средней частицы идеального слоя. При этом сумма объемов пор фиктивного слоя должна быть равна сумме объемов поровых трубок идеального слоя, а сумма поверхностей всех шаровых частиц фиктивного слоя должна быть равна сумме боковых поверхностей идеального слоя; пористость в обоих случаях должна быть одинаковой.

Объем собственно частиц в слое шаров одинакового диаметра Свободный объем пор в канале Vсв: Пористость слоя может быть представлена в виде