Содержание к диссертации
Введение
Введение 7
1 Современное состояние вопроса 12
2 Экспериментальные стенды для исследования аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных устройствах с внешней рециркуляцией газов
2.1 Описание экспериментального стенда для исследования аэродинамики 49
2.2 Описание экспериментального стенда для исследования конвективного теплообмена 56
2.3 Программа экспериментальных исследований 60
2.4 Методика обработки экспериментальных данных и определение погрешности измерений
3 Численное моделирование аэродинамики в циклонных устройствах с внешней рециркуляцией газов 67
4 Аэродинамика циклонного устройства с внешней рециркуляцией газов
4.1 Аэродинамика незагруженного циклонного устройства с внешней 79
4.2 Аэродинамика загруженного циклонного устройства с внешней рециркуляцией газов
4.2.1 Аэродинамика циклонного устройства с внешней рециркуляцией, загруженного пустотелым цилиндром 93
4.2.2 Аэродинамика циклонного устройства с внешней рециркуляцией, загруженного садкой из нескольких заготовок
4.3 Аналитическое определение профиля тангенциальной скорости в циклонных устройствах с внешней рециркуляцией газов 106
4.4 Обобщение опытных данных по аэродинамике циклонных устройств с внешней рециркуляцией газов 115
4.5 Методика аэродинамического расчета циклонных устройств с внешней рециркуляцией газов 130
5 Исследование конвективного теплообмена 134
5.1 Результаты исследования конвективного теплообмена на поверхности пустотелого цилиндра 134
5.2 Результаты исследования конвективного теплообмена на поверхности заготовки при использовании садки 141
5.3 Обобщение экспериментальных данных по конвективному теплообмену на поверхностях пустотелой заготовки 145
6 Энергетическая оптимизация циклонных нагревательных устройств с внешней рециркуляцией газов 152
Заключение 160
Список литературы
- Описание экспериментального стенда для исследования конвективного теплообмена
- Аэродинамика незагруженного циклонного устройства с внешней
- Аналитическое определение профиля тангенциальной скорости в циклонных устройствах с внешней рециркуляцией газов
- Результаты исследования конвективного теплообмена на поверхности заготовки при использовании садки
Введение к работе
Актуальность проблемы. В энергетической стратегии РФ до 2020 года
одной из важнейших задач является уменьшение энергоемкости
промышленности, значительно превышающей в настоящее время аналогичный
показатель в большинстве развитых стран. Разработка энергосберегающих
технологий позволит не только уменьшить себестоимость продукции и
повысить ее конкурентоспособность на рынке, но и сократить потребление
топлива, а, следовательно, уменьшить газовые выбросы в окружающую среду.
Нагревательные и термические печи машиностроительного и
металлургического производств являются крупными потребителями природного газа, что делает их совершенствование важной энерготехнологической задачей.
Использование закрученного высокотурбулентного потока греющих газов, образующихся в циклонных камерах, является одним из перспективных направлений развития металлургической и газопечной теплотехники благодаря возможностям интенсификации конвективного теплообмена на поверхностях заготовок и рабочего объема устройства и увеличения кратности внутренней рециркуляции греющей среды.
На сегодняшний день подробное изучение аэродинамики и
конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах
позволило выявить некоторые их недостатки. Так, из-за особенностей обтекания
закрученным потоком садки из нескольких заготовок и переизлучения теплоты
с обмуровки печи возникает неравномерность нагрева изделий: на
поверхностях, обращенных к оси камеры, интенсивность подвода теплоты
меньше, чем на обращенных к периферии устройства. В случае загрузки камеры
одиночными пустотелыми цилиндрами также наблюдается слабая проточность
приосевой зоны и наличие значительного осевого обратного течения,
подсасывающего из газоотводящего тамбура охлажденные газы и приводящие к
уменьшению температурного напора во внутренней области. Из-за
неравномерности нагрева увеличивается продолжительность термообработки, вследствие чего повышаются расход топлива и потери металла с окалиной. Кроме того в циклонных устройствах существует нежелательное и значительное по мощности периферийное прямое течение (вихрь), замыкающее «накоротко» входные и выходной каналы и поэтому слабо взаимодействующее с поверхностями нагрева.
Полностью устранить указанные недостатки за счет изменения условий входа и выхода или расположения нагреваемых изделий в печи не представляется возможным. В настоящей работе повышение управляемости вторичными течениями, увеличение температурного напора во внутренней зоне пустотелых цилиндрических изделий или садки из нескольких заготовок, уменьшение мощности периферийного прямого и осевого обратного вихрей предлагается выполнить с помощью нового принципа организации внешней рециркуляции газов в циклонных устройствах, при котором транспортировка теплоносителя с боковой поверхности циклонной камеры, где его температура
наиболее высокая, в приосевую область осуществляется за счет имеющегося перепада (градиента давления) по радиусу устройства (см. рис. 1).
Степень разработанности темы. Циклонные нагревательные
устройства - объект исследования многих отечественных ученых: Глинкова М.А., Портнова А.А., Михайлова П.М., Брука Ю.Г., Пуговкина А.У., Стерлигова В.В., Бергауза А.Л., Барка С.Е., Власовой И.Н., Сабурова Э.Н., Карпова С.В., Осташева С.И., Леухина Ю.Л., Орехова А.Н., Деветериковой М.И. и др. Анализ их работ позволил сформулировать цель и поставить задачи настоящего исследования.
Цель работы: повышение
эффективности циклонных нагревательных
устройств, загруженных изделием в виде
пустотелого цилиндра или садкой из
Рис. 1 — Принципиальная схема
циклонного устройства с внешней
рециркуляцией газов
нескольких заготовок, за счет организации внешней рециркуляции газов из пристенной в приосевую зону течения под действием имеющегося перепада давления.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
- разработка и создание
экспериментальных стендов для исследования аэродинамики и конвективного
теплообмена в циклонных рециркуляционных нагревательных устройствах,
оценка погрешности прямых и косвенных измерений;
- исследование вторичных течений в циклонных устройствах с
указанным типом внешней рециркуляции;
анализ и обобщение опытных данных по аэродинамике незагруженных и загруженных пустотелым цилиндром или садкой из нескольких заготовок циклонных рециркуляционных устройств и конвективному теплообмену на поверхности заготовок;
разработка инженерной методики расчета циклонных нагревательных рециркуляционных устройств и рекомендаций по выбору их оптимальных конструктивных и режимных параметров.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
впервые установлены основные закономерности влияния внешней рециркуляции газов из пристенной и приосевую зону течения под имеющимся перепадом давления на аэродинамику циклонной камеры, как незагруженной, так и загруженной пустотелым цилиндром или садкой из нескольких заготовок;
разработана методика аэродинамического расчета загруженных и незагруженных циклонных устройств, отличающаяся от существующих тем, что позволяет учесть использование внешней рециркуляции газов указанного типа;
- впервые предложены обобщающие зависимости для расчета:
конвективного теплообмена к пустотелому цилиндру, загруженного в
циклонную камеру; оптимального коэффициента внешней рециркуляции газов при различных конструктивных характеристиках устройств.
Практическая ценность. Настоящая работа позволит увеличить
скорость термообработки изделий в виде пустотелых цилиндров в циклонных
нагревательных устройствах за счет выравнивания температурного поля внутри
печи. Показано, что использование рассматриваемого типа внешней
рециркуляции газов позволяет снизить аэродинамическое сопротивление циклонных устройств, повысить внутреннюю рециркуляцию греющих газов за счет оптимизации вторичных течений.
Разработана инженерная методика расчета циклонных
рециркуляционных нагревательных устройств, даны практические
рекомендации по выбору их оптимальных режимных и геометрических параметров.
Методы исследования. Исследование аэродинамики и конвективного теплообмена проводилось физическим и численным моделированием. Анализ и обобщение данных выполнены на основе теории подобия.
Автор защищает:
- результаты исследования аэродинамики циклонных рециркуляционных
камер при различных вариантах загрузки и варьировании геометрических и
режимных характеристик и их аэродинамической эффективности;
аналитические и расчетные зависимости для определения основных аэродинамических характеристик рассматриваемых устройств;
результаты исследования конвективного теплообмена к пустотелому цилиндру и садке из нескольких заготовок, загруженных в циклонную камеру с внешней рециркуляцией газов;
- расчетные зависимости для определения: средних и локальных
коэффициентов теплоотдачи на внешней и внутренней поверхностях
пустотелого цилиндра, загруженного в циклонное рециркуляционное
устройство; оптимального коэффициента внешней рециркуляции газов.
Достоверность приведенных результатов и выводов, сделанных на их
основе, подтверждается использованием оборудования, проходящего
регулярную поверку в соответствии с техническими требованиями, а также оценкой погрешности косвенных измерений. Для определения точности результатов численного моделирования было выполнено их сопоставление с экспериментальными значениями величин в широком диапазоне варьирования режимных и геометрических параметров циклонных рециркуляционных камер.
Апробация работы. Работа и ее отдельные разделы представлялись,
докладывались и обсуждались на VI Российской национальной конференции по
теплообмену (Москва, 2014 г.); V Международной конференции «Теплообмен и
гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 2015 г.); XIX и XX Школах-
семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН
А.И. Леонтьева (Орехово-Зуево, 2013 г.; Зеленоград, 2015 г.); VII, IX, X, XI
международных научно-технических конференциях «Автоматизация и
энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2012,
2014, 2015, 2016 гг.); II Международной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в черной металлургии» (Череповец, 2015 г.); XV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2014» (Ухта, 2014 г.), V Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки, технологии и производства» (Санкт-Петербург, 2015); II, III и IV международных научно-практических конференциях «Проблемы академической мобильности исследователя и методологии исследования» (Архангельск, 2013-2015 гг.); а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава САФУ им. М.В. Ломоносова (2011-2015 гг.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликованы 22 научныe работы, 4 из которых в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.
Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 189 страницах машинописного текста, содержит 93 рисунка, 19 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения и 2 приложений. Библиографический список включает 147 наименований.
Описание экспериментального стенда для исследования конвективного теплообмена
Очень много исследований и публикаций посвящено изучению эффекта Ранка-Хилша и вихревых труб соответственно, однако на практике данные устройства используются достаточно редко в качестве аппаратов для охлаждения и нагревания газов. Сущность данного явления заключается в следующем: газ подается в вихревую камеру через тангенциальные сопла под высоким давлением, и после закрутки движется к удаленному торцу. Часть потока, расположенного на периферии имеет более высокую температуру, а в приосевой области — более низкую. В торце, удаленном от входных каналов, установлен дроссель, при достижении которого горячий периферийный газ выходит из вихревой трубы, а холодный приосевой отражается и движется в обратном направлении к диафрагмированному торцу, расположенному вблизи входных каналов. Таким образом происходит разделение поступающего газа на горячий и холодный потоки. Разнообразные варианты применения эффекта Ранка-Хилша в технике приведены в работах [84, 91].
Исследованию эффекта Ранка-Хилша посвящены работы В.С. Мартыновского и В.П. Алексеева [83], А.П. Меркулова [84], А.И. Леонтьева [75], М.А. Гольдштика [25], Э.П. Волчкова [19], В.И. Терехова, Ш.А. Пиралишвили [91], И.И. Смульского [117] и многих других отечественных и зарубежных исследователей.
В работах сотрудников Института теплофизики им С.С. Кутателадзе [17, 18, 68, 118] рассмотрены особенности вихревых камер с торцевым вдувом: для предельных значений диаметра выходных отверстий максимум тангенциальной скорости убывает c уменьшением dвых , отмечается неавтомодельность течения при числах Reвх 104 , что подтверждает выводы, сделанные в работе [58]. Показано, что в камерах с гиперболическими торцевыми поверхностями уровень тангенциальных скоростей выше, чем с плоскими.
Использование закрученного высокотурбулентного потока, образующегося в циклонных устройствах - перспективное направление развития нагревательных устройств для термической обработки металлических изделий. Увеличение доли конвективного теплообмена на поверхности заготовки и на боковой поверхности печи позволяет уменьшить требуемый температурный напор и соответственно снизить температуру уходящих газов. Высокая внутренняя рециркуляция обеспечивает «квазиизотермическое» температурное поле во внутреннем объеме печи, что в свою очередь упрощает автоматизацию процесса нагрева и повышает равномерность подвода теплоты по длине и периметру заготовки. Благодаря интенсификации конвективного теплообмена также уменьшается тепловая инерционность печи, что позволяет задавать сложные многоступенчатые режимы изменения температуры внутреннего объема во времени.
Циклонные нагревательные печи могут применяться для термообработки: валов роторов, обечаек [93], гребных винтов [112]; для нагрева штанг под ковку и штамповку, отводов, труб и пр. [112]. Конструкции опытных установок и описание результатов внедрения изложены в работах [15, 24, 74, 93, 94, 112].
В большинстве используемых в промышленности пламенных нагревательных печей скорость греющих газов достаточно низкая, бо льшая часть теплоты передается к изделию с помощью излучения, из-за чего сложно обеспечить равномерность нагрева, а интенсификация теплообмена возможна только за счет повышения температуры печи, что усложняет и удорожает конструкцию обмуровки, рекуператоров и пр.
Работы [30, 92 и др.] сотрудников Днепропетровского металлургического института посвящены исследованию печей скоростного нагрева. Были сформулированы основные принципы повышения эффективности за счет использования форсированной термообработки: 1) при нагреве стали скоростным методом резко сокращаются потери с окалиной; 2) для уменьшения удельного расхода тепла на нагрев металла необходимо увеличивать конвективную составляющую теплового потока, а следовательно и скорость движения продуктов сгорания; 3) в печах скоростного нагрева конвекцией может передаваться сопоставимая с излучением доля теплоты.
Перспективность использования циклонных нагревательных устройств была показана в исследованиях сотрудников САФУ (АЛТИ-АГТУ): Э.Н. Сабурова, С.В. Карпова, С.И. Осташева, Ю.Л. Леухина, А.Н. Орехова, Н.В. Смолиной и др; СПбГТУ (ЛПИ) П.М. Михайлова, А. У. Пуговкина, М.И. Деветериковой, Ю.Г. Брука и др.; ВНИИПромгаза С.Е. Барка, А.Л. Бергауза, И.Н. Власовой и др. а также рядом других отечественных и зарубежных исследователей.
Данная работа ориентирована на использование циклонного принципа с внешней рециркуляцией газов в нагревательных печах, однако использование рассматриваемого принципа может найти свое широкое применение в различных областях, например в качестве генератора закрученной струи в топочной и вентиляционной технике с достаточно простым способом регулирования величины закрутки, а, следовательно, и ее «дальнобойности».
Нагревательные камерные печи широко распространены в машиностроении для термообработки различных деталей и заготовок, например термообработки валов турбин и толстостенных обечаек. Вне зависимости от типа нагреваемого изделия одним из важных путей совершенствования конструкций данных печей является уменьшение времени нагрева, т. к. при этом сокращается расход топлива и уменьшаются потери металла с окалиной. Обычно по технологии задают конечную температуру изделия, поэтому при неравномерном нагреве скорость термообработки определяется медленно нагревающимися участками. Таким образом, качественная сторона (равномерность нагрева) определяют количественную сторону (скорость нагрева, а, следовательно, и производительность печи).
Все разнообразие изделий, подвергающихся термообработке, можно условно разделить на теплотехнически «тонкие» и «массивные» тела, что связано с внутренними условиями нагрева. Режим нагрева определяется значением числа Био [93, 119]:
Аэродинамика незагруженного циклонного устройства с внешней
В связи с значительным ростом производительности ЭВМ и развитием вычислительной гидрогазодинамики, численное моделирование представляется удобным средством как для исследования, так и для опытно-конструкторских работ. Наиболее целесообразной представляется связка из физического и численного моделирования, т.к. каждый из методов не лишен недостатков. Так, с помощью эксперимента не всегда удается исследовать предельные значения переменных. Например, в данной работе с помощью численного моделирования был исследован случай циклонного течения при коэффициенте рециркуляции kc=1 , сложный для создания в реальных условиях, но важный с точки зрения аналитического расчета. Получение картины вторичных течений и изменения теплоотдачи по поверхности заготовки также целесообразно выполнять с помощью численного моделирования, что значительно удешевляет эксперимент, так как при этом отпадает необходимость использовать какие-либо измерители скорости, например ЛДА, и датчики теплового потока.
К недостаткам численного моделирования относится необходимость проверки достоверности полученных данных, т.к. из-за выбора неправильных параметров моделирования результаты могут сильно отличаться от экспериментальных. Как будет показано далее, неудачный выбор модели турбулентности или параметров дискретизации дифференциальных уравнений может приводить к снижению расчетного уровня тангенциальных скоростей в циклонном устройстве и даже к вырождению закрученного ядра течения. Для получения достоверных результатов моделирования необходимо на каждом этапе сопоставлять их с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения переменных задачи.
В данной работе численное моделирование использовалось для получения следующих данных: 1) Расчет полей вторичных течений и определение безразмерных расходов всех характерных вихрей; 2) Исследование влияние высоты рециркуляционного канала по образующей; 3) Определение аэродинамических характеристик циклонного потока при больших, близких к предельным и предельных значениях kc=0,8. ..1,0 , создание которых в реальных условиях проблематично; 4) Распределение коэффициента теплоотдачи по высоте внутренней поверхности калориметра, на которой сложно провести экспериментальное исследование с помощью датчиков теплового потока; 5) Расширение диапазона варьирования геометрических характеристик пустотелого калориметра.
Численное моделирование выполнялось при поддержке проекта ИСП РАН «Университетский кластер» (http://www.uni hub .ru). Расчет производился на платформе с открытым исходным кодом OpenFOAM. Использование данного программного обеспечения позволяет значительно уменьшить стоимость численного анализа при опытно-конструктурских работах. Так, цена проприетарного ПО, например Ansys CFX, для параллельных многоядерных вычислений сопоставима с ценой самого вычислительного кластера [16].
Достаточно много публикаций посвящено анализу применимости различных моделей турбулентности к закрученным потокам, и на их основании делается вывод, что наиболее точные результаты расчетов могут быть получены с использованием моделей RSM [136, 146], методов Large Eddy Simulation [142] и Detached Eddy Simulation [141]. Однако системы уравнений моделей семейства RSM обладают сильной нелинейностью [115], из-за чего для обеспечения устойчивости и сходимости решения необходимо использовать расчетные сетки высокого качества, ячейки которых не должны быть скошенными или вытянутыми. Это накладывает на применение данных моделей большие ограничения, связанные часто с невозможностью обеспечить эти требования для математического моделирования реальных устройств, отличающихся сложной геометрией.
В свою очередь для использования метода Large Eddy Simulations требуется большее количество ячеек расчетной сетки и меньший шаг счета по времени, чем для моделей, основанных на осредненных по времени уравнениях Навье-Стокса (RANS). Поэтому, несмотря на значительный в современных условиях рост вычислительных мощностей, данный метод расчета остается очень затратным, что также ограничивает область его применения.
Широко распространенные одно- и двухпараметрические модели (k-, k-, k--SST, модель Спаларта-Аллмареса) менее требовательны к качеству расчетной сетки, чем модели RSM, и требуют меньших вычислительных ресурсов, чем, например, метод LES. Но в своей оригинальной постановке они не учитывают возможную кривизну линий тока [142], что проявляется в сильном расхождении между экспериментальными и расчетными данными.
Поэтому для моделирования циклонных устройств необходимо дополнительно определять параметры, количественно характеризующие закрутку потока, и вводить соответствующие поправки.
В работах [138, 143] такие поправки предложены для модели Спаларта-Аллмареса (SARC и SARCM соответственно), а в исследованиях [134, 144] - для модели k--SST (k--SST-RC и k--SST-RC-Hellsten). В работах [134, 138] использованы более простые для реализации и расчета уравнения, но менее точные для сильнозакрученных течений, развивающихся в циклонных камерах.
В целом, точность расчета при использовании моделей SARC и k--SST-RC ниже, чем для модели Лаундера-Гибсона [37, 38, 39, 41]. Но из-за лучшей устойчивости и сходимости вычислений они могут применяться при математическом моделировании устройств со сложной геометрией (например, циклонных нагревательных устройств, загруженных садкой из нескольких изделий [36, 112]), либо для получения предварительных результатов, которые могут использоваться в качестве начальных значений для более точных методов расчета и моделей турбулентности. В настоящей работе использовались модель Лаундера-Гибсона (GL) для расчета аэродинамики, модель Ментера с поправкой на кривизну линий тока k--SST-RC для расчета конвективного теплообмена в загруженном циклонном устройстве.
Аналитическое определение профиля тангенциальной скорости в циклонных устройствах с внешней рециркуляцией газов
Аэродинамическая картина течения в циклонном устройстве отличается сложностью и пространственностью [58]. На рисунке 4.1.1 показана полученная численным моделированием проекция поля полной скорости на поперечное сечение циклонной камеры с круглым выходным отверстием в одном из торцов, двумя тангенциальными подводами, смещенными к выходному торцу, без внешней рециркуляции. Как видно из рисунка, все поле течения можно условно разделить на ядро потока, приосевую, приторцевые и пристенную зоны.
Тангенциальная компонента скорости является наибольшей в пределах ядра потока и пристенной зоне, в приторцевых зонах наблюдается высокий уровень радиальной компоненты скорости wr , в приосевой зоне — осевой скорости wz . С точки зрения аэродинамического расчета основным следует считать вращательное движение, а тангенциальную компоненту — наибольшей.
Структура вторичных течений (вихрей) для указанного циклонного устройства показана на рисунке 4.1.1, светлым зонам соответствует более интенсивное радиально-осевое движение. Как видно из рисунка, входящий в рабочий объем циклонный поток газа разделяется на периферийный прямой 1 и периферийный обратный вихри 2, вблизи глухого и диафрагмированного торцов возникают значительные радиальные течения 3,4. В приосевой зоне весь объем газа периферийного обратного 2 и приторцевого вихря 4 объединяется в выходной вихрь 5. Вследствие наличия разрежения в данной зоне формируется осевой обратный вихрь 6. а)
: Проекция поля полной скорости на поперечный разрез циклонной камеры без рециркуляции. a) численное моделирование; б) схематичное изображение.
Для увеличения эффективности циклонного нагревательного устройства необходимо уменьшать мощность периферийного прямого и осевого обратного вихрей. Греющие газы в периферийном прямом вихре слабо взаимодействуют с поверхностью заготовки, т.к. они замыкаются «накоротко» между входными каналами и выходным отверстием. В работах [104] показано, что смещение входных шлицев к диафрагмированному торцу, приводит к уменьшению мощности периферийного прямого вихря и увеличивает кратность внутренней рециркуляции.
Осевой обратный вихрь представляет собой уже прореагировавшие и охлажденные газы, поэтому их подсос в рабочую зону циклонного устройства приводит к уменьшению температурного напора во внутренней части садки или пустотелого цилиндра, что также уменьшает эффективность нагревательного устройства. На рисунке 4.1.2 показаны профили безразмерной тангенциальной скорости и безразмерного статического давления в двух сечениях циклонной камеры.
Из анализа данных профилей можно сделать следующие выводы: 1) Профили wф и pс не изменяются по высоте камеры; 2) Максимум тангенциальной скорости располагается вблизи границы выходного отверстия; 3) Уровень тангенциальной скорости монотонно возрастает с увеличением радиуса в диапазоне 0 г гфи («квазитвердое» течение) и монотонно убывает в диапазоне г т г гя («квазипотенциальное» течение). 4) Статическое давление рск монотонно убывает от стенки камеры к оси, в приосевой зоне может наблюдаться отрицательное избыточное давление. Исследование влияния внешней рециркуляции выполнено в следующем диапазоне варьирования геометрических характеристик: безразмерный диаметр выхода =0,2...0,4, безразмерная площадь входа Jвх=0,041...0,122, коэффициент внешней рециркуляции kc=0...0,57
На рисунке 4.1.3 показана проекция поля скорости на продольное сечения циклонной камеры с внешней рециркуляцией, полученного численным моделированием, светлым областям соответствуют зоны с высокой интенсивностью радиально-осевых скоростей, темным областям — с низкой. Как видно из рисунка, картина вторичных течений в целом качественно повторяет характер течения в циклонной камере без рециркуляции. Течение сохраняет симметричность, однако отсутствует осевой обратный вихрь.
Результаты исследования конвективного теплообмена на поверхности заготовки при использовании садки
Как видно из рисунков 6.2-6.3, увеличение степени рециркуляции кс благоприятно сказывается на аэродинамическом совершенстве циклонной камеры, т. к. уменьшаются выходные потери до 13% и увеличивается затраты давления на крутку до 32% во всех исследованных случаях [57], кроме варианта 5ВЫХ=0,4 и fBx=0,044 .
Расхождение результатов аэродинамического анализа, выполненных двумя разными способами, можно объяснить в различии подходов. При использовании Фт уровень вращательных скоростей определяется за счет \уфт и предполагается подобие профилей w,, что не всегда соблюдается в циклонных рециркуляционых устройствах, как это было показано в разделе Таким образом, результаты анализа, основанного на среднеинтегральной кинетической энергии вращательного движения являются более достоверными.
Определение энергетического совершенства циклонного рециркуляционного устройства, загруженного пустотелым цилиндром, выполним с помощью методики, предложенной в [58]. В настоящей работе безразмерный комплекс Кэ модифицирован к виду: Nu;. KЭ=ReГ (6.4) п вх вх хв где Nui - число Nu, рассчитываемое для внутренней ( Nuв.внутр ) или внешней ( Nuв.внешн ) поверхностей пустотелого цилиндра; n — показатель степени в уравнении подобия.
Чем больше интенсивность теплоотдачи к стенке аппарата при заданном значении Reвх и меньше аэродинамическое сопротивление камеры, тем выше энергетическое совершенство устройства.
В настоящей работе для определения оптимального значения kcопт комплекс КЭ целесообразно определить раздельно для внешней и внутренней поверхностей пустотелого цилиндра и соотнести к аналогичному показателю в циклонной камере без внешней рециркуляции, т. е. при kc=0 . В таком случае выражение (6.4)
Как видно из рисунка, наблюдается удовлетворительное соответствие опытных и расчетных значений, что подтверждает достаточную точность методики аэродинамического расчета загруженного рециркуляционного устройства и обобщающих зависимостей конвективного теплообмена. Во всех рассмотренных случаях, использование внешней рециркуляции приводит к повышению энергетического совершенства циклонной камеры благодаря существенному уменьшению аэродинамического сопротивления при незначительном влиянии на интенсивность конвективного теплообмена.
Как видно из представленных данных, величина Кэ внешн/Кэ внешнД =0 монотонно возрастает с увеличением кс, а Кэ внутр/Кэ внутрД =0 имеет ярко выраженный максимум при некотором значении к"т. С увеличением dBbIX и уменьшением f вх величина максимума снижается, а его положение смещается в область низких значений кс.
Оптимальное значение кпт с точностью до ±15% в диапазоне ?вых=0,2...0,4 , fBx=0,042. ..0,122 и dB=0,1...0,6 может быть определено по следующей обобщающей зависимости: /cT=(0,012 6fi7dBbIX-0,7)-0,2)(dB-l) + l (6.7) Сопоставление значений кпт определенных по выражениям (6.5-6.6) и по обобщающей зависимости (6.7) выполнено на рисунке 6.5. При малых диаметрах выходного отверстия dBbIX оптимальный коэффициент рециркуляции может достигать значений /спт 0,8, что существенно выше, чем требуется для подавления периферийного прямого и осевого обратного вихрей и поэтому в данном случае его следует считать предельно допустимым.
На сегодняшний день при проектировании циклонных нагревательных печей основным критерием оптимальности выбора режимных и геометрических параметров служит стоимость нагрева, которая является интегральным параметром и учитывает расход природного газа и электроэнергии, капитальные, амортизационные, эксплуатационные и другие затраты. Из-за этого невозможно на основе каких-либо методик оценки аэродинамической или энергетической эффективности определить наилучшую конструкцию и они являются исключительно ориентировочными. При выборе величины коэффициента рециркуляции следует учитывать назначение циклонного рециркуляционного устройства. При проектировании печей для термообработки изделий в виде пустотелого цилиндра в большинстве случаев рекомендуется принимать kc в диапазоне kc=0,30...0,45 , но не более чем kcопт , т. к. в таком случае подавляется осевой обратный ток и периферийный прямой вихрь, а также соблюдается оптимальное соотношение аэродинамического сопротивления и интенсивности конвективного теплообмена.
В случае циклонных нагревательных устройств для термообработки садки из нескольких изделий определение оптимального kc возможно только численным моделированием, с помощью которого можно выполнить оценку равномерности нагрева.