close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование аэродинамического сопротивления сепараторов пылесистем котлов пк-24 и ТП-81.

код для вставкиСкачать
Энергетика
PowerEngineering
Оригинальная статья /Originalarticle
УДК: 536.24
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-95-102
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СЕПАРАТОРОВ
ПЫЛЕСИСТЕМ КОТЛОВ ПК-24 И ТП-81
© С.Д. Иванов1, А.Н. Кудряшов2, В.В. Ощепков3
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотреть аэродинамику пылевоздушной смеси в центробежных сепараторах разных диаметров с целью определения зависимостей аэродинамического сопротивления от параметров потока. МЕТОДЫ.
Проведено математическое моделирование сопротивления сепараторов на основе экспериментальных данных.
При моделировании был использован пакет прикладных программ FlowVision HRC. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены
критериальные уравнения, выражающие функциональные зависимости аэродинамического сопротивления от
средней скорости витания и среднего диаметра частиц, которые показывают хорошую корреляцию с экспериментальными данными. ВЫВОДЫ. Установлено, что полное аэродинамическое сопротивление при восходящем
пневмотранспорте складывается из сопротивления трения и сопротивления инжекции пылеугольных частиц.
Ключевые слова: пылевоздушная смесь, центробежный сепаратор, аэродинамическое сопротивление, сопр отивление трения, сопротивление инжекции, скорость витания.
Формат цитирования: Иванов С.Д., Кудряшов А.Н., Ощепков В.В. Моделирование аэродинамического сопротивления сепараторов пылесистем котлов ПК-24 и ТП-81 // Вестник Иркутского государственного технического
университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 95–102. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-95-102
MODELING DRAFT LOSS OF PK-24 AND TP-81 BOILERS PULVERIZED COAL SYSTEM SEPARATORS
S.D. Ivanov, A.N. Kudryashov, V.V. Oshchepkov
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
ABSTRACT. THE PURPOSE of the article is to consider the aerodynamics of the air-and-coal mixture in centrifugal separators of different diametersin order to determine the dependences of draft loss on flow parameters. METHODS. A
mathematical modeling of separator frictional loss is carried out on the basis of experimental data. The software package
FlowVision HRC is used in the simulation. RESULTS. Criterial equations expressing functional dependences of the draft
loss on the average hovering velocity and average diameter of particles are obtained. They demonstrate good correlation
with experimental data.CONCLUSIONS. It is found that the total draft loss under the pneumatic transport upflow is the
sum of the resistance of coal dust particles to friction and injection.
Keywords: air-and-coal mixture,centrifugal separator, draft loss, frictional resistance, resistance to injection, hovering
velocity
For citation: Ivanov S.D., Kudryashov A.N., Oshchepkov V.V. Modeling draft loss of PK-24 and TP-81 boilers pulverized
coal system separators. Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2016, vol. 20, no. 9, pp. 95–102. (In Russian)
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-95-102
Введение
Аэродинамика дисперсных потоков
является одним из важнейших направлений современной науки. Определение за-
кономерностей транспорта газовзвесей
имеет большое значение при расчете различных конструктивных элементов в объек-
___________________________
1
Иванов Сергей Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры
Института энергетики, e-mail: ivsd55@yandex.ru
Ivanov Sergey, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of
of Heat Power Engineering of the Institute of Power Engineering, e-mail: ivsd55@yandex.ru
2
Кудряшов Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой
Института энергетики, e-mail: kan@istu.irk.ru
Kudryashov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of
of Heat Power Engineering of the Institute of Power Engineering, e-mail: kan@istu.irk.ru
3
Ощепков Василий Владимирович, аспирант, e-mail: voui@mail.ru
Oshchepkov Vasiliy, Postgraduate, e-mail: voui@mail.ru
ISSN 1814-3520
теплоэнергетики
the Department
теплоэнергетики
the Department
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
95
Энергетика
PowerEngineering
тах энергетической промышленности.
Исследованию процессов переноса
в газодисперсных потоках посвящено довольно большое количество работ (например, [1–5]), но практически все они носят
теоретический характер, обоснованный
экспериментами на лабораторных установках малой производительности. Течение
газодисперсных потоков в реальных объектах энергетики мало изучено.
Цель и методы исследования
В данной статье описывается моделирование аэродинамического сопротивления сепараторов пылесистем котлов ПК-24
ТЭЦ-10 и ТП-81 ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго» диаметром 3,3 и 4,25 м, соответственно, с целью получения критериальных
уравнений сопротивления. Схема центробежного сепаратора пыли ТКЗ-ВТИ представлена на рис. 1. Конструктивным размером, определяющим типоразмер сепаратора, является его диаметр Dсе [6].
Моделирование производилось на
основе экспериментальных данных тепловых испытаний этих пылесистем, представленных в работах [7, 8]. При этом авторами работы [7] давление измерялось на
отметках после шаровой барабанной мельницы и после сепаратора, то есть показания включают перепад давления на сепаратор и на вертикальный пылепровод от
мельницы до сепаратора. Чтобы выделить
перепад давления пылепровода, воспользуемся формулой для восходящего пневмотранспорта частиц [2]:
Рис. 1. Схема центробежного сепаратора ТКЗ-ВТИ
Fig. 1. Diagram of the TKZ-VTI centrifugal separator
96
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
 

 1  1,7 102   
0
 т 
0,33
1,56
1,33
ви
Re
Re
0,81
D
 
 dт 

2
0
 Fr,
где  – коэффициент гидравлического сопротивления
пылевоздушной
смеси;
1/4
0  0,316 / Re – коэффициент гидравлического
сопротивления
воздуха;
Re  4G / ( D ) – критерий Рейнольдса
для воздуха; G – массовый расход воздуха, кг/с;D – диаметр пылепровода, м;
η – динамическая вязкость воздуха, Па∙с; 
– плотность воздуха, кг/м3;  т – плотность
угольных частиц, кг/м3; Reви  wви d т /  –
критерий Рейнольдса для частицы с характерной скоростью витания wви ; d т – средний диаметр частиц угольной пыли, м;  –
кинематическая вязкость воздуха, м2/с;  –
массовая концентрация пыли после шаровой
барабанной
мельницы,
кг/кг;
2
Fr  g D / w
–
число
Фруда;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
w – скорость воздуха, м/с.
Перепад давления на пылепровод
был вычислен по формуле
l  w2
(1)
Pпп  
,
D 2
где l – длина пылепровода, м (в данном
случае равна 30 м).
Чтобы найти сопротивление сепаратора Pсе , из экспериментальных данных о
перепаде давления на участке «после
мельницы – после сепаратора» Pпп-се
вычли найденный по формуле (1) перепад
давления на пылепровод Pпп :
Pсе  Pпп-се  Pпп .
В работе [8] приведены данные измерений сопротивления отдельного сепаратора.
Для исследования аэродинамического сопротивления сепаратора был использован пакет прикладных программ
FlowVision HRC.
Трехмерная модель расчетной области, представляющей собой проточную
часть сепаратора пыли, была построена в
системе автоматизированного моделирования Компас 3D (рис. 2).
В программе FlowVision HRC для
данной области была задана стандартная
k-ε-модель турбулентной несжимаемой
жидкости.
Для задания плотности и динамической вязкости использовалась модель гомогенной смеси угольной пыли и воздуха
(приближение несжимаемой гидродинамики).
Рис. 2. Трехмерная модель сепаратора с векторным полем скоростей
Fig. 2. Three-dimensional model of the6 separator with the vector field of velocities
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
97
Энергетика
PowerEngineering
Плотность смеси описывалась следующим уравнением:
ρсм  (1  α) ρ  αρт ,
где α – объемная доля угольной пыли.
Динамическая вязкость пылевоздушной смеси определялась по формуле
Эйнштейна:
ηсм  (1  5,5α)η.
Скорость смеси в данной модели
равна скорости воздуха:
wсм  w.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате расчетов были получены данные по перепаду давлений от
входа до выхода сепаратора (потери сопротивления на трение частиц ∆Pтр).
Полученные данные ∆Pтр были обработаны так, чтобы выявить их зависимость от критерия Рейнольдса Reсм. Данная зависимость показана на рис. 3.
Критерий Рейнольдса для смеси
вычислен по формуле:
Reсм = 4Gсм/(π Dк ηсм),
где Gсм – массовый расход пылевоздушной
смеси, кг/с; Dк = 0,25Dсе – диаметр кольцевого канала в сепараторе, м.
Аппроксимация полученных точек
линейной зависимостью дает следующее
критериальное уравнение:
 Pтр 
ln 
  0,657 ln Reсм  7, (2)


P
 се см 
где се – массовая концентрация пыли после сепаратора, кг/кг; ∆Pсм = ρсмwсм2/2 – динамическое давление смеси, Па.
Потери сопротивления трения пылевоздушной смеси в сепараторе, определяемые из уравнения (2), рассчитываются
как
Pтр  9,12 10 се
4
2
см wсм
2
Re0,657
см . (3)
Вторая составляющая общего сопротивления складывается из потерь сопротивления на инжекцию частиц в поток
ΔPин. Частицы угольной пыли при движении
ударяются о стенки сепаратора, теряют
свою скорость и выпадают из основного
потока. Для возврата (инжекции) частиц
обратно в поток нужно затратить дополнительную энергию (сопротивление на инжекцию).
Рис. 3. Зависимость потерь давления на трение ∆Pтр от критерия Рейнольдса Reсм:
▲ – для сепаратора 4,25 м; ■ – для сепаратора 3,3 м
Fig. 3. Dependence of pressure losses due to friction ∆P fr on the Reynolds criterion Remixture:
▲ – for 4,25 m separator; ■ – for 3,3 m separator
98
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Полагаем, что перепад давления
ΔPин, связанный с инжекцией в поток частиц пыли, заторможенных в результате
взаимодействия со стенками канала, функционально зависит от массовой концентрации пыли μ, плотности частиц ρт и скорости
витания частиц wви:
Pин  f ( , т , wви ).
Скорость, необходимая для инжектирования частицы в поток, равна скорости
витания и определяется по формуле [3]:
wви 
4 dт т  
g
,
3 т 
(4)
где  т – коэффициент сопротивления одиночной сферической частицы.
Коэффициент сопротивления ξт зависит от числа Рейнольдса Reви [3]:
ξ т  24 Reви при Reви  0,2
(5)
0,5
т  21/ Reви  6 / Reви
 0,28
при 0,1  Reви  4000.
(6)
Подставив (5) в (4), получили скорость витания в первой области (при
Reви ≤ 0,2):
1

wви1  gd т2 т .
18

Чтобы найти скорость витания во
второй областиwви2 (при 0,1 ≤ Reви ≤ 4·103),
было составлено уравнение:
4
2
21Reви  6Re3/2
(7)
ви  0,28Reви  Reви0 ,
где Reви0  wви0 dт /  – число Рейнольдса
по
скорости
витания
wви0  1,155 gd т  т     .
Аппроксимация решения уравнения
(7) имеет следующий вид:
2
4
Reви2  (0,568  0,133Reви0
 0,00045 Reви0
) 2.
Скорость витания во второй области
равна
ISSN 1814-3520
wви2 
Reви2 d т
.

Поскольку угольная пыль является
полидисперсной средой, необходимо найти
средний диаметр частиц и среднюю скорость витания частиц. Для этого необходимо знать плотность распределения частиц
по размерам. Анализ многочисленных зерновых характеристик размола различных
видов топлив показал, что кривые распределения хорошо описываются следующим
уравнением [4, 6]:
n
Rx  еbx ,
(8)
где Rx – остаток на каком-либо сите;
b и n– опытные коэффициенты, характеризующие соответственно тонкость помола и
равномерность зернового состава (показатель полидисперсности), постоянные для
данного топлива и данного метода размола
величины (определяются рассевом навесок
пыли на двух ситах, чаще используют сита
с размером ячеек 90 и 200 мкм); x– размер
частиц, м.
Экспериментальные значения R90 и
R200 после сепаратора представлены в отчетах [7, 8], по ним определяли соответствующие значения параметров b и n.
Продифференцировав уравнение (8)
по размерам частиц x, получили функцию
плотности распределения частиц пыли по
размерам:
F (b, n, x)   dRx dx  nbx n1ebx .
Тогда средняя скорость витания
равна
n
x1
 wви    wви (x) F (b, n, x) dx 
о

x max

wви (x) F (b, n, x) dx,
x1
где x1  (0, 2 18 2 / ( т g ))0,33 – граничное
значение диаметра частиц при Res = 0,2, м;
xmax – максимальный диаметр частиц, м (в
рассматриваемом случае 0,0005 м).
Средний диаметр частиц
dт  
x max

x F (b, n, x)dx.
0
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
99
Энергетика
PowerEngineering
Потери сопротивления на инжекцию
частиц пылиΔPин были получены путем вычитания из экспериментальных данных
полного сопротивления сепаратора ΔPэк,
представленных в отчетах [7, 8], потерь сопротивления на трение ∆Pтр:
ΔPин = ΔPэк – ΔPтр.
Полученные данные обрабатывались таким образом, чтобы выявить функциональные зависимости от средней скорости витания частиц  wви  и среднего
диаметра частиц пыли  d т  :
ΔPин = f(  wви  ),
ΔPин = f(  d т  ).
Найденные зависимости показаны
на рис. 4.
Аппроксимация точек линейной зависимостью дает следующие критериальные уравнения:
 P 
 w  
ln  1,5 ин   2,816  0,317 ln  ви *  ; (9)
  wви  
 се Pсм 
 P 
 d  
ln  1,5 ин   2,816  0,317ln  т *  . (10)
 dт  
 се Pсм 
где  wви *   / d т – характерная средняя
скорость витания частиц при Reв = 1, м/с;
dт *   / wви – характерный средний диаметр частиц при Reв = 1, м.
Потери давления на инжекцию заторможенных частиц в основной поток,
определяемые уравнениями (9) и (10), равны:
а
б
Рис. 4. Зависимость сопротивления инжекции частиц пыли ΔPин:
а – от средней скорости витания частиц  wви  ; б – от среднего диаметра частиц угольной
пыли
 d т  : ▲ – для сепаратора 4,25 м; ■ – для сепаратора 3,3 м
Fig. 4. Dependence of ΔPinj dust particle injection resistance:
а – on the average hovering velocity of particles  wви  ; b – on the average diameter of coal
dust particles
100
 d т  : ▲ – for 4,25 m separator; ■ –
for 3,3 m separator
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
ISSN 1814-3520
Энергетика
PowerEngineering
Рис. 5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по потерям давления:
▲ – для сепаратора 4,25 м; ■ – для сепаратора 3,3 м
Fig. 5. Comparison of experimental and calculated data on pressure losses:
▲ – for 4,25 m separator; ■ – for 3,3 m separator
см wсм2   wви  
Pин  16,7 


2   wви * 
0,317
1,5
се
Pин  16,7 се1,5
см wсм2   d т  


2   d т * 
; (11)
0,317
. (12)
Как видно из рис. 5, полученные
критериальные уравнения (2), (11) и (12)
показывают хорошую точность (в пределах
±20%).
Заключение
Сформулируем основные результаты:
– разработана модель аэродинамического сопротивления сепараторов пылесистем котлов ПК-24 и ТП-81;
– найдена экспериментальная зависимость потерь давления трения ΔPтр от
числа Рейнольдса Reсм (3);
– получены экспериментальные зависимости потерь давления на инжекцию
частиц пыли ΔPин от средней скорости витания (11) и среднего диаметра частиц (12)
для сепараторов диаметрами 4,25 и 3,3 м;
– погрешность вычислений по данным уравнениям составляет порядка 20%.
Библиографический список
1. Дзядзио А.М., Кеммер А.С. Пневматический
дели движения частиц в турбулентной жидкости. М.:
транспорт на зерноперерабатывающих предприятиФизматлит, 2012. 312 с.
ях. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1967. 295 с.
6. Кисельгоф М.Л., Соколов Н.В. Расчет и проекти2. Сукомел А.С., Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В. Теплорование пылеприготовительных установок котельобмен и гидравлическое сопротивление при движеных агрегатов (нормативные материалы). Л.: ОНТИ
нии газовзвеси в трубах. М.: Энергия, 1977. 192 с.
ЦКТИ, 1971. 312 с.
3. Stegmaier W. Zur Berechnung der horizontalen
7. Елизаров В.В., Александров Б.А., Александров
pneumatischen Förderung feinkörniger Feststoffe, förВ.Б. Отчет по тепловым испытаниям котла ПК-24 ст.
№ 7 Иркутской ТЭЦ-10 при сжигании азейского угля.
dern und heben Fördertechnik und Materialflu // SysИркутск: РЭУ «Иркутскэнерго», 1975. 112 с.
teme für Produktion, Lager und Transport, 1978.
8. Елизаров В.В., Сеннов В.П. Отчет по тепловым
Vol. 28. No. 5–6. P. 363–366.
испытаниям котла ТП-81 и пылесистемы 5А Иркут4. Левит Г.Т. Пылеприготовление на тепловых элекской ТЭЦ 9. Иркутск: РЭУ «Иркутскэнерго», 1970.
тростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1990. 384 с.
234 с.
5. Зайчик Л.И., Алипченков В.И. Статистические мо-
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
101
Энергетика
PowerEngineering
Rereferences
1. Dzyadzio A.M., Kemmer A.S. Pnevmaticheskii
models of particle motion in turbulent fluid].Moscow,
transport na zernopererabatyvayushchikh predpriyatiFizmatlit Publ., 2012, 312 p. (In Russian)
yakh [Pneumatic conveying at grain processing enter6. Kisel'gof M.L., Sokolov N.V. Raschet i proektirovanie
prises]. Moscow, Kolos Publ., 1967, 295 p. (In Russian)
pyleprigotovitel'nykh ustanovok kotel'nykh agregatov
2. Sukomel A.S., Tsvetkov F.F., Kerimov R.V. Teploo(normativnye materialy) [Calculation and design of boilbmen i gidravlicheskoe soprotivlenie pri dvizhenii
er dust preparation plants (standards)].Leningrad:
gazovzvesi v trubakh [Heattransferandhydraulic frictioONTI TsKTI Publ., 1971, 312 p. (In Russian)
nunder gassuspension flow inpipes]. Moscow, Energiya
7. Elizarov V.V., Aleksandrov B.A., Aleksandrov V.B.
Publ., 1977, 192 p. (In Russian)
Otchet po teplovym ispytaniyam kotla PK-24 st. N 7
3. Stegmaier W. Zur Berechnung der horizontalen
Irkutskoi TETs-10 pri szhiganii azeiskogo uglya [Report
pneumatischen Förderung feinkörniger Feststoffe, föron the thermal tests of PК-24 boiler at the station no. 7
of Irkutsk CHP-10 under Azeisky coal combustion].
dern und heben Fördertechnik und Materialflu // SysIrkutsk, REU “Irkutskenergo” Publ., 1975, 112 p.
teme für Produktion, Lager und Transport, 1978,
(In Russian)
vol. 28, no. 5–6, pp. 363–366.
8. Elizarov V.V., Sennov V.P. Otchet po teplovym
4. Levit G.T. Pyleprigotovlenie na teplovykh elispytaniyam kotla TP-81 i pylesistemy 5A Irkutskoi
ektrostantsiyakh [Dust preparation at thermal power
TETs 9 [Report on the thermal tests of TP-81 boiler and
plants].Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990, 384 p.
5A dust system at the Irkutsk CHP-9]. Irkutsk, REU
(In Russian)
“Irkutskenergo” Publ., 1970, 234 p. (InRussian)
5. Zaichik L.I., Alipchenkov V.I. Statisticheskie modeli
dvizheniya chastits v turbulentnoi zhidkosti [Statistic
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и
оформлении научных результатов, а также в равной
мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Authors declare equal participation in receiving and
registration of scientific results and also equally bear
responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии
интересов.
Conflictofinterest
Authors declare no conflict of interest.
конфликта
Статья поступила 04.07.2016 г.
102
The article was received on 07 July 2016
ВЕСТНИК ИрГТУ Том 20, № 9 2016/ PROCEEDINGS of ISTU Vol. 20, No. 9 2016
ISSN 1814-3520
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
628 Кб
Теги
сопротивления, пылесистем, моделирование, котлов, сепаратор, аэродинамических
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа