Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf

сивность которых определяется давлением, возникающим в этой обла­ сти и зависящим от давления в пространстве, с которым зона сооб­ щается. Интегрируя уравнение (3.8) в пределах от г до го, получим

Рг 2

Осевая составляющая скорости V г (рис. 53) меняет в зависимости от радиуса как ве­ личину, так и знак. В результате в камере возникают обратные циркуляционные токи, что значительно усложняет изучение струк­ туры потока в циклоне.

Авторы работы [5] различают четыре концентрических зоны, границы которых определяются изменением знака V z.

Приосевую зону камеры заполняет бе­ рущий начало вне камеры слабо закручен­ ный осевой обратный ток. Он, во-первых, уменьшает разрежение в сечениях, близких к выходному соплу, и, во-вторых, тормозит вращательное движение газов в тех же сече­

ниях. Осевой обратный ток по мере продвижения в глубь камеры за счет интенсивного турбулентного обмена моментом количества движе­ ния с окружающим его сильно закрученным потоком постепенно во­ влекается в общее вращательное движение. С удалением от выхода

•кривая V9=f(r) в приосевой зоне постепенно растет и в каком-то се­ чении приобретает вид, характерный для квазитвердого вращения.

Вторая кольцевая зона — «выходной вихрь», где осевая состав­ ляющая скорости направлена к выходу. С «выходным вихрем» камеру покидают газы, введенные через входные сопла, и газы, поступившие с осевым обратным вихрем.

Третья концентрическая зона — кольцевой обратный ток, слабо выраженный в камерах с плоской выходной диафрагмой.

138

В периферийной части камеры находится примыкающая к стен­

Радиальная составляющая скорости Ѵт в большей части камеры пренебрежимо мала по сравнению с Ѵ? и V г . Исключение составляют области вблизи торцевых стенок, в которых Ѵт резко растет [13]. Зна­ чение этой величины составляет более 50% от И8Х , а на расстоянии 1—1,5 мм от торцевой крышки она в десятки раз больше, чем в объеме камеры.

Измерения не показывают заметных радиальных скоростей на трани внешнего потока и вихревого ядра, поэтому ядро считается замкнутым циркуляционным течением, обменивающимся с окружаю­ щими слоями только за счет интенсивной турбулентности [10, 13].

Как показывают опыты, течение газов в циклонной камере автоыодельно относительно числа Е,е и определяется лишь геометрически­ ми соотношенями основных размеров камеры. Это дает возможность обрабатывать результаты аэродинамических исследований в относи­ тельных величинах, принимая за масштаб скоростей Ѵ„х , давлений —

Ѵ!

„ ¥ ВХ

динамический напор на входе р - у - , геометрических размеров — диа­

метр циклонной камеры Лц.

Уровень вращательных скоростей в объеме и вблизи стенок цик­ лонной камеры оказывает решающее влияние на условия ее работы. С одной стороны, он обусловливает сепарационную способность цик­ лонного потока, с другой — существенно сказывается на гидравличе­ ском сопротивлении камеры.

Кроме того, скорость газов на входе в циклон определяет турбу­ лентность вращающегося потока, а следовательно, и интенсивность процессов массо- и теплообмена и сжигания топлива в циклонной камере.

В реальных условиях равенство Ѵ9 г = Ѵ вх • гвх не имеет места. Поэтому вводится так называемый коэффициент сохранения скорости или коэффициент сохранения начального момента вращения [7, 13]:

Этот коэффициент характеризует снижение общего уровня скоростей, вызванного расширением струи, входящей в циклонную камеру, и перестройкой ее поля скорости, а также вихреобразованиями и потерями на трение о стенки. Значение коэффициента S зависит ст геометрических параметров циклонной камеры — относительной

139

от YT • Заметное влияние на уменьшение коэффициента оказывает'

шероховатость стенок.

Вопреки существующему мнению, что для циклонных топок обыч­ но е«<1 и лишь при отсутствии потерь е= 1, результаты некоторых ра­ бот показывают, что в определенных условиях в реальных камерах 8 ^ 1 [12]. В этом убеждает баланс механической энергии цик­ лонного потока (в адиабатной камере), вытекающий из закона сохра­ нения энергии, записанный в форме уравнения Бернулли

Левая часть уравнения представляет собой поток энергии, равный сумме потоков потенциальной и кинетической энергии на входе в цик­ лон и энергии расширения газов в его объеме; правая — поток механи­ ческой энергии на выходе из циклона и потери ее за счет диссипации.

Ход кривых (рис. 54), построенный по результатам аэродинамиче­

ских продувок циклонных камер [13], свидетельствует о том, что Ру2х

Fст.вх > 2Х , т. е. потенциальная энергия потока на входе больше его

кинетической энергии.

Таким образом, основное, а при некоторых геометрических па­ раметрах циклонной камеры, и решающее значение в балансе механи­ ческой энергии циклонного потока приходится на потенциальную энергию поступающего в камеру потока. Кинетическая же энергия в энергетическом балансе потока мала.

Благодаря тангенциальному вводу входящий в циклон поток при­ обретает вращательное движение со скоростью, определяемой ско­ ростью входа. По мере продвижения газа от периферии, где статиче­ ский напор максимальный, в приосевой зоне происходит преобразова­ ние потенциальной энергии статического напора в кинетическую, со­ провождающееся увеличением скорости газа. Если принять в качестве характеристики уровня тангенциальной составляющей скорости отно~

то в соответствии с сформулированным представлением о преобразо-

140

соотношений следует пользоваться этим уравнением для линии тока .

■Р-!— -j- р =const. (3.12)

\/ рт

моделей циклонных камер, ф — модель А; О — модель В, гладкие стенки, X — модель В, шероховатые стенки; Д — модель С; ■ — опы­ ты Б. П. Устименко; □ — опыты Е. А. Нахапетян.

141

Интегрируя его при некоторых допущениях [15], в конечном итоге он: получает уравнение (3.4).

В работе [12] эта задача решена без упрощений, принятых Прандтлем, и вместо уравнения (3.13) получено

Уравнения хорошо согласуются с экспериментами, проведенными в различных циклонных камерах (рис. 56).

Во многих случаях Го — r9max. Тогда вместо (3.16) можно полу­

чить

Vв х

пределенных по окружности камеры, единого мнения нет. В одних ра­ ботах [10, 16, 17] отмечается, что распределенный ввод воздуха в цик­ лон способствует значительному увеличению вращательной скорости;

142