Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами
На пневмотранспортом стенде исследовано влияние повышения плотности несущего газа на гидравлическое сопротивление, критическую скорость и удельные энергозатраты при течении двухфазного потока с твердыми частицами. Установлено снижение гидравлического сопротивления и энергозатрат при движении газовог...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2012
|
| Schriftenreihe: | Техническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88301 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами / Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2012. — № 2. — С. 43-49. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88301 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-883012015-11-12T03:02:26Z Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами Кнышенко, Ю.В. На пневмотранспортом стенде исследовано влияние повышения плотности несущего газа на гидравлическое сопротивление, критическую скорость и удельные энергозатраты при течении двухфазного потока с твердыми частицами. Установлено снижение гидравлического сопротивления и энергозатрат при движении газового потока с твердыми частицами с ростом плотности несущего газа. Определены пределы применимости известных из литературы эмпирических зависимостей для гидравлического сопротивления и критической скорости при повышенной плотности несущего газа. На пневмотранспортному стенді досліджено вплив підвищення густини несучого газу на гідравлічний опір, критичну швидкість і питомі енерговитрати при течії двофазного потоку з твердими частками. Встановлено зниження гідравлічного опору та енерговитрат при русі газового потоку з твердими частками зі зростанням густини несучого газу. Визначено межі застосування відомих з літератури емпіричних залежностей для гідравлічного опору та критичної швидкості при підвищеній густині несучого газу. The effects of increasing the carrier gas density on the hydraulic resistance, the critical velocity and energy consumption in flowing the two-phase flow with solid particles are studied using the pneumatic transport bench. A decrease in the hydraulic resistance and energy consumption for the motion of the gas solid-particle flow is established when the carrier gas density increases. Limits of applications of known empiric relations for the hydraulic resistance and the critical velocity are defined when the carrier gas density increases. 2012 Article Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами / Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2012. — № 2. — С. 43-49. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88301 532.539 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
На пневмотранспортом стенде исследовано влияние повышения плотности несущего газа на гидравлическое сопротивление, критическую скорость и удельные энергозатраты при течении двухфазного потока с твердыми частицами. Установлено снижение гидравлического сопротивления и энергозатрат при движении газового потока с твердыми частицами с ростом плотности несущего газа. Определены пределы применимости известных из литературы эмпирических зависимостей для гидравлического сопротивления и критической скорости при повышенной плотности несущего газа. |
| format |
Article |
| author |
Кнышенко, Ю.В. |
| spellingShingle |
Кнышенко, Ю.В. Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами Техническая механика |
| author_facet |
Кнышенко, Ю.В. |
| author_sort |
Кнышенко, Ю.В. |
| title |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| title_short |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| title_full |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| title_fullStr |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| title_full_unstemmed |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| title_sort |
влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88301 |
| citation_txt |
Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами / Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2012. — № 2. — С. 43-49. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Техническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT knyšenkoûv vliânieplotnostinesuŝegogazanagidravličeskieharakteristikipotokastverdymičasticami |
| first_indexed |
2025-07-06T16:03:41Z |
| last_indexed |
2025-07-06T16:03:41Z |
| _version_ |
1836914124618989568 |
| fulltext |
УДК 532.539
Ю.В.КНЫШЕНКО
ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ НЕСУЩЕГО ГАЗА НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА С ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ
На пневмотранспортом стенде исследовано влияние повышения плотности несущего газа на гидрав-
лическое сопротивление, критическую скорость и удельные энергозатраты при течении двухфазного пото-
ка с твердыми частицами. Установлено снижение гидравлического сопротивления и энергозатрат при дви-
жении газового потока с твердыми частицами с ростом плотности несущего газа. Определены пределы
применимости известных из литературы эмпирических зависимостей для гидравлического сопротивления
и критической скорости при повышенной плотности несущего газа.
На пневмотранспортному стенді досліджено вплив підвищення густини несучого газу на гідравліч-
ний опір, критичну швидкість і питомі енерговитрати при течії двофазного потоку з твердими частками.
Встановлено зниження гідравлічного опору та енерговитрат при русі газового потоку з твердими частками
зі зростанням густини несучого газу. Визначено межі застосування відомих з літератури емпіричних зале-
жностей для гідравлічного опору та критичної швидкості при підвищеній густині несучого газу.
The effects of increasing the carrier gas density on the hydraulic resistance, the critical velocity and energy
consumption in flowing the two-phase flow with solid particles are studied using the pneumatic transport bench. A
decrease in the hydraulic resistance and energy consumption for the motion of the gas solid-particle flow is
established when the carrier gas density increases. Limits of applications of known empiric relations for the
hydraulic resistance and the critical velocity are defined when the carrier gas density increases.
Течения двухфазных потоков типа газ – твердые частицы широко ис-
пользуется в технологических процессах различных отраслей техники: в
энергетике, горном деле, химическом производстве, металлургии. В цемент-
ной, строительной, химической, алюминиевой и пищевой промышленности
широко применяется пневматическое транспортирование разнохарактерных
сыпучих материалов. В энергетике и химической технологии применяются
двухфазные системы охлаждения, двигатели на металлизированном топливе,
реакторы с двухфазными рабочими телами. В системах газодобычи имеют
место течения природного газа с частицами породы от скважин до систем
газоочистки при давлениях в несколько десятков атмосфер [1 – 7].
Накопленный экспериментальный материал по двухфазным течениям,
обобщенный в виде зависимостей для гидравлических сопротивлений, крити-
ческих скоростей, скоростей скольжения, параметров разгона и других вели-
чин, характеризующих гидравлические особенности этих потоков, получен
при небольших рабочих давлениях и плотностях несущего газа.
Развитие новых технологий идет в направлении увеличения рабочих дав-
лений и плотности газовых составляющих двухфазных потоков, что связанно
с увеличением дальности пневмотранспортирования, интенсификацией теп-
ло- и массообменных процессов в химических и энергетических установках.
Поэтому знание гидравлических характеристик двухфазных потоков с
повышенной плотностью несущего газа, зависящей от его химического со-
става и рабочего давления, является актуальной задачей при разработке, про-
ектировании и эксплуатации технологических аппаратов данного типа. Пред-
ставленные ниже результаты относятся к течениям двухфазных потоков ука-
занного типа в горизонтальных трубопроводах.
Исследование было проведено на пневмотранспортном стенде [8] при
различных рабочих давлениях несущего газа. Схема стенда и его общий вид
представлены на рис. 1 и рис. 2. По уровню рабочего давления (до 3,3 МПа)
данный стенд не имеет аналогов в Украине и за рубежом и может быть ис-
пользован для отработки систем с течениями двухфазных потоков при повы-
Ю.В.Кнышенко, 2012
Техн. механика. – 2012. – № 2.
43
шенной плотности несущего газа.
Цель экспериментов: определение гидравлического сопротивления двух-
фазного потока, минимальной (критической) скорости устойчивого движения
газовзвеси и удельных энергозатрат при повышенной плотности несущего
газа.
Рис. 1
Стенд смонтирован по замкнутой схеме с контурами чистого газа (I) и
двухфазной взвеси (II). Циркуляционный агрегат, в качестве которого был
использован шестеренчатый компрессор, заключен в герметичный бокс, ох-
лаждаемый водой.
Проточная часть стенда, представляющая собой комплекс транспортных
трубопроводов c расходомером несущего газа типа Вентури 1, мерными уча-
стками 2, 3 диаметром 30 и 50 мм, переключателем потока 6, прозрачными
вставками 7, компрессором (ЦА), устройствами выгрузки (УВ) и перегрузки
твердой фазы (УП), перед экспериментами заполнялась воздухом до необхо-
димого давления из блока газоснабжения 4 через редуктор 5. Устройство пе-
регрузки (УП) представляет собой блок циклонов, установленных на цилинд-
рическом бункере, в нижней части которого помещен барабанный питатель с
регулируемой скоростью вращения. Устройство выгрузки состоит из циклона
и приемного бункера. Необходимый режим течения газа в проточном тракте
стенда устанавливался с помощью перепускного крана на байпасной линии
ЦА.
Для перехода в режим двухфазного течения включается приводной элек-
тродвигатель барабанного питателя УП, который подает сыпучий материал в
трубопровод. Твердые частицы подхватываются потоком газа и движутся
вместе с ним по трубопроводам с мерными участками, а затем попадают на
вход блока циклонов УП. В циклонах происходит разделение фаз: газ из ци-
клонов поступает на вход ЦА, а твердые частицы из бункера УП с помощью
барабанного питателя вновь вводятся в поток газа. Расход газа определялся с
помощью трубы Вентури в контуре чистого газа.
Расход твердой фазы находился по скорости вращения барабанного пита-
теля, предварительно проградуированного для конкретного ее вида. Гидрав-
лическое сопротивление определялось по перепаду давления на мерных уча-
стках с помощью датчиков давления «Сапфир-22ДД».
44
Рис. 2
Величина критической скорости фиксировалась для заданного скорост-
ного режима визуально или с помощью видеокамеры 8 через прозрачные
вставки 7 в мерном трубопроводе. В качестве твердой фазы использовались
гранулы полиэтилена ( =4 мм, =930 кг/м3). Эксперименты проводились
при фиксированном массовом расходе несущего газа для каждого из значе-
ний избыточного рабочего давления.
эквd тρ
На рис. 3, для удобства анализа влияния рабочего давления на гидравли-
ческое сопротивление двухфазного потока, результаты экспериментов пред-
ставлены в виде
)μ,(
10
0
f
p
p
и )β,(
20
0
f
p
p
,
где – плотность несущего газа в стенде; p – гидравлическое сопротивле-
ние двухфазного потока на мерном участке; – гидравлическое сопротив-
ление чистого газа на мерном участке при
0
0p
=1,25 кг/м3; μ , – расходная и
объемная концентрация твердой фазы.
β
Расходная и объемная концентрации твердой фазы определяются соот-
ношениями
G
Gт ;
u
uтт
1
1
1
,
где , – расходы твердой фазы и газа соответственно; тG G т – плотность
материала твердой фазы; , – скорости частиц твердой фазы и несущего
газа соответственно (величина относительной скорости частиц
тu u
uuт для ус-
45
ловий данных экспериментов, найденная с помощью видеосъемки, составля-
ла примерно 0,4).
Рис. 3
Приведенные результаты показывают, что гидравлическое сопротивле-
ние при повышенном избыточном рабочем давлении в системе и значениях
объемной концентрации, не превышающих 3 – 4 %, существенно меньше со-
противления чистого газа при нулевом избыточном давлении (эксперимен-
тальные значения 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют плотности несущего газа
=1,25; 2,89; 7,04; 12,75; 17,83 кг/м3). г
Там же приведены результаты расчетов c использованием предложенной
в работе [2] зависимости для коэффициента Гастерштадта, выполненных для
крайних значений скорости несущего газа, реализованных в экспериментах
(линии 6 соответствуют minUU , а линии 7 – maxUU ).
При расчетах использована общепринятая гипотеза о допустимости сло-
жения гидравлических потерь, обусловленных течением газа и движением
твердых частиц, в соответствии с которой гидравлическое сопротивление
двухфазного потока можно представить в виде
)μ( jpp 10 ,
где – гидравлическое сопротивление трубопровода при движении чисто-
го газа;
0p
K – коэффициент Гастерштадта, зависящий от массовых и аэродина-
мических свойств твердых частиц, параметров пневмомагистрали, режима
течения и др. [9].
В соответствии с работой [2] коэффициент K рассчитывался по формуле
2
10
u
gD
K
)(
, т ,
где – внутренний диаметр трубопровода; D g – ускорение свободного паде-
ния.
Можно отметить, что результаты расчетов достаточно хорошо согласу-
ются с опытными данными для каждого уровня плотности несущего газа в
46
области объемных концентраций до 3 – 4%. При дальнейшем росте объемной
концентрации экспериментальные значения гидравлического сопротивления
превышают значения, определяемые зависимостью работы [2], экстраполиро-
ванной на область повышенных плотностей несущего газа и объемных кон-
центраций. Причем предельные значения объемной концентрации, с превы-
шения которых имеет место рост гидравлического сопротивления относи-
тельно зависимости работы [2], сдвигаются в сторону больших объемных
концентраций с ростом плотности несущего газа.
Эмпирические зависимости для определения минимально допустимых
скоростей движения двухфазного потока (критических скоростей) по литера-
турным данным могут быть обобщенны для 1 – 15 кг/кг в виде [8]
ρ
ρ
μ тω* AU ,
где – эквивалентный диаметр частицы; );,,( gdDAA d – постоянное
число, по данным различных авторов, принимающее фиксированное значение
от 0 до 0,5.
На рис. 4 представлено влияние плотности несущего газа на относитель-
ное изменение критической скорости несущего газа в виде расчетной зависи-
мости 0
** ρ/ρ/ 0UU (сплошная линия) и данных экспериментов на стенде
(○ – μ =1,5 – 4,0; ■ – μ =5 – 9; Δ – μ =11 – 15), которые свидетельствуют о
допустимости экстраполяции эмпирических соотношений на условия повы-
шенной плотности несущего газа; значения , соответствуют плотности
и критической скорости при давлении, близком к атмосферному.
0ρ
*
0U
Рис. 4
Определение энергозатрат при движении двухфазного потока с повы-
шенной плотностью несущего газа было проведено при избыточном давлении
несущего газа от 0 до 0,8 МПа. Расход воздуха изменялся в диапазоне от 0,04
до 0,4 кг/с, расход твердой фазы составлял =0,16; 0,44; 0,68 кг/с. В процес-
се экспериментов измерялся перепад давления на циркуляционном агрегате.
тG
Энергозатраты на единицу массы транспортируемой твердой фазы (без
учета затрат мощности на создание в системе повышенного давления) опре-
делялись как отношение гидравлической мощности циркуляционного агрега-
та к производительности по сыпучему материалу
47
тЦА
к
н
т
н ρlnσ GGp
p
p
G
Gp
,
где , – давление на входе и выходе из циркуляционного агрегата соот-
ветственно; – перепад давлений на циркуляционном агрегате.
нp кp
ЦАp
Полученные результаты, представленные на рис. 5, показывают, что с
ростом давления (плотности) несущего газа удельные энергозатраты на дви-
жение двухфазного потока снижаются. Так, из сравнения кривых 1 и 2, соот-
ветствующих плотности несущего газа г =1,25 кг/м3 и =2,5 кг/м3 (рабочие
избыточные давления =0 МПа и =0,2 МПа) при =0,16 кг/с, видно,
что при одинаковых расходных концентрациях твердой фазы (например, для
тGрp рp
μ 2 кг/кг) удельные энергозатраты с ростом плотности несущего газа пада-
ют примерно в 10 раз. Аналогичная ситуация имеет место для кривых 2 и 4,
соответствующих плотностям =2,5 кг/м3 и г =5 кг/м3 при =0,16 кг/с.
Сравнение кривых 4 и 5, соответствующих расходам =0,44 кг/с (●) и
=0,68 кг/с (▲) при плотности несущего газа
тG
тG
тG =10 кг/м3 (рабочее избыточ-
ное давление =0,8 МПа), показывает, что при сопоставимых энергозатра-
тах повышенная плотность несущего газа обеспечивает увеличение расхода
твердой фазы в 2,75 – 4,25 раза.
рp
Рис. 5
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что использо-
вание несущего газа повышенной плотности приводит к следующим измене-
ниям гидравлических характеристик:
– снижаются гидравлические потери по длине пневмотрубопровода;
– снижаются энергозатраты на перемещение двухфазного потока (оце-
ночно в несколько раз);
– величина минимально допустимой (критической) скорости уменьшает-
ся обратно пропорционально корню квадратному из плотности несущего газа.
Экстраполяция эмпирических зависимостей для гидравлического сопро-
тивления двухфазного потока, полученных для небольшой плотности несу-
щего газа, справедлива в области повышенных плотностей при объемных
концентрациях твердой фазы, не превышающих 3 – 4%. При дальнейшем
увеличении объемной концентрации твердой фазы имеющиеся зависимости
требуют корректировки с учетом результатов экспериментов в данной облас-
ти.
48
Экспериментальные данные по критическим скоростям при изменении
относительной плотности несущего газа от 1 до 10 – 12 хорошо корре-
лируют с известными из литературы эмпирическими зависимостями, спра-
ведливыми для 1 – 1,5.
0ρ/ρ
0ρ/ρ
Полученные результаты могут служить основой для создания пнев-
мотранспортных систем замкнутого типа, работающих при повышенной
плотности несущего газа, систем охлаждения с двухфазными рабочими тела-
ми, проточных химических реакторов и других систем подобного типа.
1. Трубопроводный транспорт нефти и газа / Р. А. Алиев, В. Д.Белоусов, А. Г. Немудров, В. А. Юфин,
Е. И. Яковлев. – М. : Недра, 1988. – 368 с.
2. Смолдырев А. Е. Гидро- и пневмотранспорт / А. Е. Смолдырев. – М. : Металлургия, 1975. – 384 с.
3. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами / Р. Бусройд. – М. : Мир, 1975. – 380с.
4. Горбис З. Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсних сквозных потоков / З. Р. Горбис. – М. : Энергия,
1970. – 424 с.
5. Cукомел А. С. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при движении газовзвеси в трубах /
А. С. Cукомел, Р. В. Керимов, Ф. Ф. Цвєтков. – М. : Энергиия, 1977. – 191 с.
6. Зуев Ф. Г. Пневматическое транспортирование на зерноперерабатывающих предприятиях / Ф. Г. Зуев. –
М.: Колос, 1976. – 343 с.
7. Криль С. И. К вопросу о методиках расчета основных параметров пневмотранспорта сыпучих материа-
лов по горизонтальным трубам / С. И. Криль, М. Н. Чальцев // Прикладная гидромеханика. – 2010. –
Т.12, №4. – С.36 – 44.
8. Тимошенко В. И. Влияние повышенного давления несущего газа на гидравлические характеристики
двухфазного потока типа газ – твердые частицы / В. И. Тимошенко, Ю. В. Кнышенко, В. Ф, Копысов,
Е. Н. Громов // Инженерно-физический журнал. – 1992. – Т.62, №2. – С.188 – 194.
9. Тимошенко В. И. Определение гидравлических потерь при движении двухфазного потока в горизонталь-
ном трубопроводе / В. И. Тимошенко, Ю. В. Кнышенко, В. И. Щербаков // Энергетика (Изв. высш. учеб.
заведений). – 1990. – №9. – С.81 – 85.
Институт технической механики Получено 27.03.12,
НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 05.04.12
Днепропетровск
49
|