Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Определение и обоснование критериев газодинамической эффективности коротких диффузоров для фильтров систем жизнеобеспечения 11
1.1 Обзор фильтров как элементов систем жизнеобеспечения 11
1.2 Анализ работы диффузоров без направляющих 17
1.3 Обзор конструкций коротких диффузоров с направляющими 22
1.4 Анализ газодинамической эффективности существующих фильтров с коротким диффузором 25
1.5 Критерии газодинамической эффективности фильтра с коротким диффузором 29
1.6 Анализ методик расчета проточной части узлов типа «воздуховод– короткий диффузор–фильтр» 31
1.6.1 Анализ методик инженерного расчета проточной части узлов типа «воздуховод–короткий диффузор–фильтр» 31
1.6.2 Анализ методик численного расчета проточной части узлов типа «воздуховод–короткий диффузор–фильтр» 33
1.7 Обзорный анализ экспериментальных методик исследования проточной части узлов типа «воздуховод–короткий диффузор–фильтр»... 36
1.8 Цель и задачи исследования 44
Глава 2 Методики численного и инженерного расчета коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения 46
2.1 Методика численного расчета рабочего процесса коротких диффузоров для газовых фильтров систем снабжения 46
2.1.1 Расчетная схема, допущения, основные расчетные уравнения и условия однозначности 46
2.1.2 Методика численного расчета рабочего процесса коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения 54
2.1.3 Верификация методики численного расчета рабочего процесса коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения 58
2.2 Инженерная методика расчета конструктивных параметров проточной части коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения 65
Глава 3 Экспериментальные исследования проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения 73
3.1 Экспериментальный стенд для исследования проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения 73
3.2 Методика экспериментального исследования проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения
3.2.1 Методика измерения температуры 85
3.2.2 Методика измерения расхода 87
3.2.3 Методика измерения скоростей потока 94
3.2.4 Методика измерения избыточного давления газа на входе в объект испытания 94
3.2.5 Методика измерения влажности газа на входе в объект испытания. 96
3.2.6 Методика измерения аэродинамического сопротивления объекта испытания 97
3.2.7 Методика измерения концентрации оксида углерода и углеводородов в воздухе 100
3.2.8 Методика определения профиля поля скоростей в выходном сечении короткого диффузора 103
3.3 Экспериментальные исследования узлов «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения и их элементов 108
3.3.1 Экспериментальные исследования узлов «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различными вариантами диффузоров 108
3.3.2 Экспериментальные исследования адсорбционных и каталитических фильтров и их наполнителей 114
3.4 Основные выводы по результатам экспериментальных исследований 118
ГЛАВА 4 Расчетно-параметрический анализ влияния конструкции короткого диффузора на работу узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» 120
4.1 Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различными вариантами коротких диффузоров 120
4.2 Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различной длиной неравномерных направляющих в проточной части короткого диффузора... 133
4.3 Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различными соотношениями площадей входного и выходного сечения коротких диффузоров 139
4.4 Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различной относительной длиной диффузора 145
4.5 Рекомендации по конструированию газовых фильтров с короткими диффузорами для систем жизнеобеспечения 149
Заключение 152
Список использованных источников
- Анализ газодинамической эффективности существующих фильтров с коротким диффузором
- Расчетная схема, допущения, основные расчетные уравнения и условия однозначности
- Методика экспериментального исследования проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения
- Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различными соотношениями площадей входного и выходного сечения коротких диффузоров
Введение к работе
Актуальность работы
Для обеспечения работоспособности персонала в обитаемых помещениях необходимо поддерживать требуемый температурно-влажностный режим и химический состав воздуха, соответствующие требованиям санитарных и медицинских норм. Особенно актуально это для изолированных объектов, а также объектов с ограниченной вентиляцией. Газовые фильтры являются важнейшими компонентами систем жизнеобеспечения таких объектов.
Применительно к мобильным и транспортным объектам такие фильтры должны соответствовать дополнительным требованиям компактности при минимальной величине потерь давления воздушного потока и связанной с этим энергоёмкости систем жизнеобеспечения. Снижение габаритных размеров газовых фильтров обеспечивается за счёт так называемых коротких диффузоров. Известные на сегодняшний день конструкции коротких диффузоров не в полной мере решают комплексную задачу снижения габаритных размеров и обеспечения высокой эффективности работы фильтра. Во многом это связано с тем, что в проточной части таких диффузоров имеет место высокая степень неравномерности поля скоростей и вихреобразование. Поэтому при создании современных фильтров и диффузоров необходимо учитывать локальные газодинамические процессы, происходящие в их проточной части. Существующие методики расчёта узлов типа «воздуховод -диффузор - фильтр» носят преимущественно интегральный характер и не позволяют выполнить уточнённые расчёты с учётом особенностей течения газа при различных режимах течения воздушного потока и существенно изменяющихся конструктивных факторах и параметрах. В то же время широкое распространение получили численные методы расчёта и созданные на их базе прикладные пакеты, позволяющие разрабатывать необходимые для практического использования методики.
Таким образом, актуальность данной работы состоит в повышении газодинамической эффективности компактных газовых фильтров для систем жизнеобеспечения, то есть узлов «воздуховод - диффузор - фильтр» на базе усовершенствованных коротких диффузоров, созданных по результатам теоретических и экспериментальных исследований процессов течения воздушного потока в таких узлах.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является повышение газодинамической эффективности и компактности газовых фильтров для систем жизнеобеспечения на базе коротких диффузоров с усовершенствованной проточной частью.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить и обосновать криткрит газодинамической эффективности газовых фильтров применительно к системам жизнеобеспечения.
2. Разработать методики расчета проточной части узлов типа «воздуховод
- короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения.
-
Разработать экспериментальный стенд для исследования проточной части узлов типа «воздуховод - короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения и выполнить их экспериментальные исследования.
-
Теоретически исследовать процесс течения воздушного потока в проточной части узлов типа «воздуховод - короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения и провести параметрический анализ влияния конструкции короткого диффузора на работу такого узла.
-
Разработать рекомендации по конструированию газовых фильтров с короткими диффузорами для систем жизнеобеспечения.
Научная новизна работы:
1. Определены критерии газодинамической эффективности газовых
фильтров для систем жизнеобеспечения.
-
Созданы методики численного расчета рабочего процесса проточной части узлов типа «воздуховод - короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения.
-
Оценено влияние процессов вихреобразования в проточной части газового фильтра на его интегральные характеристики.
4. Результатами теоретического и экспериментального исследования
влияния конструктивных параметров проточной части короткого диффузора на
рабочий процесс в проточной части узлов типа «воздуховод - короткий
диффузор - фильтр» и их газодинамическую эффективность.
Личный вклад автора
Автором обоснованы критерии газодинамической эффективности коротких диффузоров для фильтров систем жизнеобеспечения, разработаны методики численного и инженерного расчета таких диффузоров, выполнен расчетно-параметрический анализ различных конструктивных схем узлов типа «воздуховод - короткий диффузор - фильтр». Автор принимал участие в разработке экспериментальных стендов и методик проведения экспериментальных исследований, а также в проведении всех описанных в работе экспериментов и разработке запатентованных конструкций диффузоров.
Практическая значимость
1. Разработана инженерная методика расчета проточной части коротких
диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения.
2. Разработаны новые технические решения, направленные на
совершенствование конструкции коротких диффузоров для газовых фильтров
систем жизнеобеспечения, новизна которых подтверждена патентами РФ на
полезную модель.
3. Разработаны рекомендации по конструированию газовых фильтров с
короткими диффузорами для систем жизнеобеспечения.
4. Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ и рекомендованы к внедрению на ООО «НТК» Криогенная техника» (г. Омск) при разработке и производстве фильтров для систем жизнеобеспечения.
На защиту выносятся:
1. Методика численного расчета рабочего процесса узлов типа
«воздуховод - короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения.
2. Инженерная методика расчета конструктивных параметров проточной
части коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения.
3 Результаты теоретического и экспериментального исследования процесса течения воздушного потока в проточной части узлов типа «воздуховод -короткий диффузор - фильтр» для систем жизнеобеспечения и результаты параметрического анализа влияния конструкции короткого диффузора на работу такого узла.
4. Рекомендации по конструированию газовых фильтров с короткими диффузорами для систем жизнеобеспечения.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая : передовые технологии - в промышленность!», (Омск, 2013); III Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», (Москва, 2014); XVI Международной научно - технической конференции по компрессоростроению, (Санкт-Петербург, 2014); Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, (Omsk, 2014); Международной научно-технической конференции «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства «Oil and gas engineering»», (Омск, 2014-2016); VII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», (Санкт-Петербург, 2015).
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИОКР «Разработка технологий создания ряда фильтров ПФП-1000 и ФМК-П, производительностью 100 м3/час, 200 м3/час, 300 м3/час, 400 м3/час и 500 м3/час для агрегатов очистки воздуха, в том числе от оксида углерода» (государственный контракт № 1551 от 24.03.2008 г. на основании Постановления Правительства РФ № 11411.1000400.09.078 от 28 декабря 2011 г.); «Разработка промышленной технологии производства унифицированных компонентов энергосберегающих низкотемпературных модулей систем жизнеобеспечения подводных объектов и надводных кораблей» (государственный контракт № 14411.169999.09.001 от 11 марта 2014 г.); «Создание перспективных одноступенчатых компрессорных агрегатов высокого и среднего давления с повышенным ресурсом работы для систем жизнеобеспечения автономных подводных объектов» (соглашение о предоставлении субсидии от 15.11.2015 г. № 14.577.21.0203).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 научных печатных работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 в изданиях, индексируемых в Web of Science, 3 патента на полезную модель и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников; содержит 108 страниц текста, 90 рисунков, 2 таблицы. Список использованных источников включает 84 наименования.
Анализ газодинамической эффективности существующих фильтров с коротким диффузором
Система жизнеобеспечения объектов представляет совокупность различных подсистем, одной из которых является система вентиляции и кондиционирования. Она предназначена для обеспечения благоприятных для человека параметров состояния воздушной среды в помещении (состава воздуха, температура, влажность и пр.).
В состав системы вентиляции входят следующие основные элементы: воздухозаборные решетки, воздушные клапаны, фильтры очистки воздуха, воздухонагреватели, вентиляторы, шумоглушители, воздуховоды, воздухораспределители, решетки, плафоны и т.д. [28, 50, 25]. В совокупности они представляют собой сложную инженерную сеть, соединенную фасонными элементами (тройники, отводы, переходы и т.д.), которая служит для обработки и доставки свежего атмосферного воздуха в обитаемые помещения, а также удаления из этих помещений загрязненного воздуха.
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. В его составе имеются постоянные компоненты атмосферы (кислород, азот, углекислый газ), инертные газы (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон), небольшое количество озона, закиси азота, метана, йода, водяных паров, а также в переменных количествах различные примеси природного происхождения и загрязнения, образующиеся в результате производственной деятельности человека [50, 25].
Кислород (О2) необходим для осуществления окислительных процессов в организме. В атмосферном воздухе содержание кислорода равно 20,95 %, в выдыхаемом человеком воздухе 15,4-16 %. Снижение его в атмосферном воздухе до 13-15 % приводит к нарушению физиологических функций, а до 7-8 % - к смертельному исходу. Азот (N2) является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота 78,97-79,2 %. Биологическая роль азота заключается, главным образом, в том, что он является разбавителем кислорода. При увеличении содержания азота до 93 % наступает смерть.
Диоксид углерода (углекислый газ), СО2 является физиологическим регулятором дыхания. Содержание в чистом воздухе составляет 0,03 %, в выдыхаемом человеком - 3 %. Повышение содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 0,2 % вызывает у человека нарушение самочувствия, при 3-4 % наблюдается возбужденное состояние, головная боль, шум в ушах, сердцебиение, замедление пульса, а при 8 % возникает тяжелое отравление, потеря сознания и наступает смерть.
Инертные газы не имеют выраженного гигиенического и физиологического значения. Гигиеническую опасность в воздухе помещений представляют оксид углерода, аммиак, сероводород, сернистый газ, пыль и др., а также загрязнение воздуха микроорганизмами.
Оксид углерода (СО) - газ без запаха и цвета, попадает в воздух как продукт неполного сгорания жидкого и твердого топлива. Он вызывает острое отравление при концентрации в воздухе 220-500 мг/м3 и хроническое отравление - при постоянном вдыхании концентрации 20-30 мг/м3. Среднесуточная ПДК оксида углерода в атмосферном воздухе - 3 мг/м3 [13], в воздухе рабочей зоны - от 20 до 200 мг/м3 (в зависимости от длительности работы) [14].
Диоксид серы (SО2) наиболее часто встречающаяся примесь атмосферного воздуха, поскольку сера содержится в различных видах топлива. Этот газ обладает общетоксическим действием и вызывает заболевания дыхательных путей. Раздражающее действие газа обнаруживается при концентрации его в воздухе свыше 20 мг/м3. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК диоксида серы - 0,05 мг/м3 [13], в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м3 [14]. Сероводород (H2S) обычно попадает в атмосферный воздух с отходами химических, нефтеперерабатывающих и металлургических заводов, а также образуется и может загрязнять воздух помещений в результате гниения пищевых отходов и белковых продуктов. Сероводород обладает общетоксическим действием и вызывает неприятные ощущения у человека при концентрации 0,04-0,12 мг/м3, а концентрация более 1000 мг/м3 может стать смертельной. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК сероводорода - 0,008 мг/м3 [13], в воздухе рабочей зоны - до 10 мг/м3 [14].
Аммиак (NH3) накапливается в воздухе закрытых помещений при гниении белковых продуктов, неисправности холодильных установок с аммиачным охлаждением, при авариях канализационных сооружений и др. Токсичен для организма. ПДК аммиака в воздухе рабочей зоны составляют 20 мг/м3 [13], в воздухе населенных пунктов (среднесуточная) - 0,02 мг/м3 [14]. Санитарно-гигиенические параметры и химический состав воздуха регламентируются соответствующими нормами и правилами [13-15, 47 и др.]. Для обеспечения выполнения требований норм и правил, а именно, требуемого химического состава воздуха, служат газовые фильтры. Газовые фильтры делятся на адсорбционные и каталитические [36, 56].
Адсорбционные угольные (углеродные) фильтры. Адсорбционные угольные фильтры сорбируют практически все токсичные примеси с молекулярной массой более 40. Однако углеродные фильтры не адсорбируют легкие соединения, такие как окись углерода, окислы азота, формальдегид. Кроме этого существенным недостатком адсорбционных фильтров является их ограниченная емкость и при несвоевременной замене адсорбента, они сами становятся источником токсичных органических веществ. Адсорбционные угольные фильтры используются в системах фирм Philips (Голландия) и Honeywell (США). Широкий ассортимент угольных фильтров выпускается в России [26].
Расчетная схема, допущения, основные расчетные уравнения и условия однозначности
Объектом исследования является проточная часть узла типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр», который представляет собой единую систему, состоящую из последовательно расположенных вышеназванных элементов. Выбранная структура расчетной схемы в целом соответствует типовой конструкции газового фильтра очистки воздуха, установленного в сети воздуховодов системы вентиляции [28, 50, 25].
Расчетная схема течения воздуха через фильтрующий узел представлена на рисунке 2.1. Как уже было сказано ранее, она включает три элемента: воздуховод, короткий диффузор и проточную часть фильтра.
Воздуховод круглого сечения имеет диаметр D0 и длину L, достаточную для получения симметричного профиля поля скоростей воздушного потока перед диффузором [16]. Воздуховод предназначен для подвода воздушного потока к диффузору. Диффузор конический осесимметричный, с круглым входным и выходным сечением, служит для перехода воздушного потока от меньшего сечения воздуховода к большему сечению фильтра. Проточная часть диффузора может содержать направляющие (плоские или концентрические), которые во входном сечении могут устанавливаться как равномерно, так и неравномерно, а в выходном сечении – только равномерно. Длина диффузора l может варьироваться от нулевой (плоская перегородка) до величины, установленной геометрическими условиями однозначности, и зависит от его выходного диаметра D1. Фильтр имеет форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным поперечным сечением.
Расчётная схема течения воздуха через фильтрующий узел (I - воздуховод; II - короткий диффузор; III - фильтр; 0-0 - входное сечение диффузора; 1-1 - выходное сечение диффузора) В проточной части фильтра на расстоянии 100 мм от входного сечения установлен имитатор фильтрующего элемента, выполненный в виде перфорированной перегородки с равномерной пропускной способностью по всему сечению. Имитатор предназначен для создания аэродинамического сопротивления, аналогичного тому, которое бы имело место при установке фильтрующей кассеты. Выходное сечение фильтра свободное, бесконфузорное.
В части геометрических параметров (форма, размеры) методика может быть скорректирована для любых аналогичных объектов.
В качестве основных допущений методики численного расчета рабочего процесса коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения приняты следующие: 1. Фильтрующий элемент заменяется эквивалентной перфорированной перегородкой, имеющей равную пропускную способность и сопротивление во всей плоскости сечения. В современных фильтрах очистки воздуха применяется большое количество разнообразных типов фильтрующих кассет [70, 24, 3, 42]. И если моделирование корпусных элементов кассет, в целом, не создает больших трудностей, то достоверная передача геометрии фильтрующих наполнителей, будь то волокна, гранулы и т.п. структуры, является практически невозможной. Моделирование фильтра без фильтрующей кассеты приведет к получению недостоверных результатов о характере течения воздуха в проточной части узла «воздуховод – короткий диффузор – фильтр», так как имеются существенные отличия в структуре потока при наличии и отсутствии фильтрующей кассеты. Одним из вариантов решения данного вопроса является замена фильтрующей кассеты на эквивалентный по аэродинамическому сопротивлению и пропускной способности элемент. 2. Наличие радиальных перемычек между направляющими не учитывается. Радиальные перемычки служат для соединения между собой концентрических направляющих, а также для их установки в проточной части диффузора. В силу небольшой толщины перемычек, а, значит, и площади поперечного сечения, во много раз меньшей площади диффузора, предполагается, что загромождение входного сечения диффузора от перемычек незначительно. Направление установки перемычек совпадает с направлением течения воздушного потока, что исключает отклонение его течения от осевого направления. Влиянием вязкостного трения также пренебрегается из-за сравнительно малой площади боковых поверхностей перемычек по сравнению с площадью направляющих и диффузора. 3. Все элементы проточной части не имеют отклонений от заданных геометрических размеров. В данной работе рассматриваются типовые конструкции газовых фильтров, а их геометрия (диффузор, направляющие) принята. Это обусловлено тем, что на данном этапе исследований вопрос отклонения геометрии от идеальной формы на микро- и макроуровнях вследствие технологических особенностей изготовления не представляет интереса. 4. Течение газового потока стационарное. Численный расчет выполняется для установившегося режима течения с неизменными в каждой точке газодинамическими параметрами процессов. В основе математической модели расчетной схемы течения воздуха через фильтрующий узел лежат следующие известные уравнения газодинамики: уравнение неразрывности, уравнение движения вязкой жидкости (уравнение Навье-Стокса), уравнение энергии. Рассмотрим эти уравнения с учетом принятых допущений.
Методика экспериментального исследования проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» для систем жизнеобеспечения
Численное исследование выполнялось в пакете ANSYS CFX на базе разработанной и построенной трехмерной модели объекта исследования, представленного на рисунке 2.4. Входное граничное условие – средняя скорость потока vср, рассчитанная на основе экспериментальных данных. Выходное граничное условие – давление, равное атмосферному. Рабочее тело – воздух с температурой 25 С; течение стационарное. Исследование выполнялось для тринадцати видов турбулентности: SST, none (Laminar), k-, BSL Reynolds Stress, SSG Reynolds Stress, Zero Equation, RNG k-, k-, Eddy Viscosity, BSL, LRR Reynolds Stress, QI Reynolds Stress, Omega Reynolds Stress. Для каждого из видов турбулентности перед диффузором в точках, соответствующих точкам отбора полного давления на экспериментальном стенде, определялась скорость потока, а на выходе из диффузора строилось поле скоростей для двух вариантов диффузоров (с направляющими и без них).
Верификация численного метода расчета проводилась на основе сопоставления профилей поля скоростей, измеренных в трубопроводе перед диффузором, а также полученных визуально сразу после диффузора. При сопоставлении профилей поля скоростей (рисунок 2.7) было установлено, что наиболее близкие к экспериментальным расчетные значения были получены для моделей турбулентности SST, BSL Reynolds Stress, k-, BSL и Omega Reynolds Stress, из которых наименьшее расхождения соответствует турбулентности k- (не
Профили поля скоростей, полученные в результате эксперимента и численных расчетов более 1,6 %) и SST (не более 1,8 %). Учитывая, что модель турбулентности SST уже включает в себя модель турбулентности k-, по причине небольших различий между расхождениями для обоих типов турбулентностей, для проведения численных расчетов было решено остановиться на модели SST. Сравнение визуальной картины течения потока на выходе из диффузора (рисунок 2.8), полученной для турбулентности SST и экспериментально, показало сходный характер движения потока.
Визуализация течения потока на выходе из диффузора, полученная при численном расчете (вверху) и экспериментально (внизу) для короткого диффузора с направляющими (справа) и без них (слева) Представленные результаты позволяют говорить об удовлетворительной верификации методики расчтов и е применимости для численного исследования и расчтов коротких диффузоров.
Таким образом, разработана методика численного расчета течения газа в коротких диффузорах. Сравнительный анализ полученных расчтных и экспериментальных результатов показал адекватность методики численного расчета при использовании модели турбулентности SST, имеющей расхождение с экспериментом не более 1,8%. Это позволяет говорить о возможности е применения при расчете коротких диффузоров, в том числе в составе узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр».
С целью определения конструктивных параметров проточной части коротких диффузоров для газовых фильтров систем жизнеобеспечения была разработана инженерная методика расчета. Она позволяет определить такое радиальное расстояние между концентрическими направляющими на входе в диффузор, чтобы на выходе из него получить равномерный профиль поля скоростей по всему поперечному сечению газового потока. Расчет ведется с учтом профиля поля скоростей газового потока в круглом воздуховоде, который для ламинарного режима течения соответствует уравнению [18, 46, 29] текущее значение скорости потока на радиусе r0i; v - средняя скорость потока; Re - число Рейнольдса; R0 - внутренний радиус воздуховода. Расчет геометрии направляющих ведется на основе уравнения неразрывности для одномерного течения несжимаемой жидкости (рисунок 2.9) fm-vmcP=fir-VbcP, ] /о(,Ч1) V0(M)q, = /l(,4l) Vl(r+l)cP і I (2 10) /оя V0„C = fin Vlncp где v0. - средняя скорость потока на участке, ограниченном радиусом г0г, с площадью поперечного сечения f0i, v0(1+1)cp - средняя скорость потока на участке, ограниченном радиусами r0i и г0(г+1), с площадью поперечного сечения /0(г+1), v0 -средняя скорость потока на участке, ограниченном радиусами г0п и R0, с площадью поперечного сечения /0и, причем площади поперечного сечения и соответствующие им средние скорости на входе в диффузор могут изменяться /0,-,/o(,-+i),"-,/o„-var, vo,cp vo(,+i)cp voncp Yar, а площади поперечного сечения на выходе из диффузора имеют постоянное значение и не равны друг другу fu,f1{f+i), ... ,fln-const, в то время как средние скорости на выходе из диффузора, соответствующие этим площадям, равны между собой vhcp =v 1(M)cp =... = vlncp =vlср .
Как видно, методика достаточно проста в реализации и позволяет итерационным способом определить геометрию концентрических направляющих на входе в короткий диффузор. Однако, при ее разработке наибольшие сложности возникли при получении простой зависимости для построения эпюры скоростей в воздуховоде перед диффузором для турбулентного режима течения. Анализ различных источников [18, 46, 29] показал, для построения эпюры скоростей требуется решить систему дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает определенную зону течения (пристенную, переходную, ядро потока). Введение такой системы в инженерную методику значительно усложнило бы ее практическое применение. Таким образом, требуемое уравнение было получено автором эмпирическим путем на основе анализа эпюр скоростей, полученных экспериментально, для различных чисел Рейнольдса.
Расчетно-параметрический анализ конструктивных схем узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» с различными соотношениями площадей входного и выходного сечения коротких диффузоров
Неравномерность поля скоростей в случае применения плоской перегородки приводит к более высоким потерям давления в проточной части объекта исследования по сравнению с конструкцией с коротким диффузором и неравномерными концентрическими направляющими, что хорошо видно из рисунка 3.28, причем разница между двумя конструкциями тем выше, чем выше скорость потока, поступающего из воздуховода.
Для качественной оценки картины течения воздуха в проточной части узлов типа «воздуховод – короткий диффузор – фильтр» была выполнена визуализация потока.
Существуют различные способы визуализации потока [69], из которых выбраны два наиболее простых: дымовой метод и метод нитей.
Визуализация была выполнена для двух вариантов конструкций: с плоской перегородкой и коротким диффузором с неравномерными концентрическими направляющими с заходом в воздуховод (рисунок 3.24) [64, 65].
При использовании дымового метода генератор тумана через воздуховод на вход в объект исследования вместе с потоком подавал «дым», в результате чего наблюдалась визуальная картина распределения потока на выходе из диффузора. Наблюдение осуществлялось через прозрачную боковую стенку корпуса объекта исследования, выполненную из органического стекла. При использовании метода нитей на выходе из диффузора размещалось несколько рядов с отрезками шелковых нитей белого цвета, которые при взаимодействии с потоком приподнимались, указывая на характер течения (интенсивность и направление) на выходе из диффузора. Наблюдение также осуществлялось через прозрачную боковую стенку корпуса объекта исследования. Основные результаты визуализации представлены на рисунке 3.29.
Результаты визуализации потока дымовым методом и методом нитей для объекта исследования с плоской перегородкой (слева) и коротким диффузором с неравномерными концентрическими направляющими с заходом в воздуховод (справа)
Анализ полученных результатов показал, что при использовании плоской перегородки поток не успевает раскрыться достаточным образом перед вставкой, в то время как короткий диффузор с неравномерными концентрическими направляющими с заходом в воздуховод раскрывает поток по всей площади выходного сечения. Картину, полученную дымовым методом, подтверждают нити, которые в случае плоской перегородки приподнялись только в центральной части, а в случае диффузора – по все всей области, приходящейся на его выходное сечение.
В ходе экспериментальных исследований адсорбционных и каталитических материалов были рассмотрены следующие образцы: 1. Адсорбент, представляющий собой композитный материал – сульфат меди, нанесенный на углеродный носитель «Сибунит». Содержане сульфата меди – 5 мас. %. 2. Катализатор низкотемпературного окисления СО – система Pd-Cu/Al2O3, содержащая 1,2 мас. % палладия и 1,5 мас. % меди. Основная задача исследования состояла в оценке влияния критериев газодинамической эффективности, а именно скорости газовоздушного потока, на эффективность очистки воздуха от вредных примесей данными материалами. Испытания были проведены на образцах, помещенных в трубу диаметром 36 мм с толщиной слоя 100 мм (для адсорбента) и 50 мм (для катализатора). В ходе испытаний на адсорбент подавался поток воздуха с примесями паров бензина с концентраций 300 мг/м3, на катализатор – с примесью оксида углерода с концентрацией 100 мг/м3; скорость потока лежала в диапазоне 0,25...6 м/с.
Для адсорбента результаты испытаний показали, что для скорости 0,25...0,5 м/с степень очистки составила 83...91 %, для скорости 1...1,5 м/с – 56...63 %, а для скорости свыше 2 м/с – не более 27 % (рисунок 3.30).
Для катализатора результаты испытаний показали, что превышение скорости потока относительно оптимальной всего на 2% приводит к превышению предельно-допустимой концентрации оксида углерода на выходе из катализатора, что является недоступимым (таблица 3.1).
Таким образом, можно утверждать, что существует некий оптимальный диапазон скоростей, выше которого очистные свойства адсорбента или катализатора становятся неудовлетворительными.
Опираясь на полученные результаты, были проведены экспериментальные исследования объектов испытания с плоской перегородкой и коротким диффузором с неравномерными концентрическими направляющими с заходом в воздуховод (рисунок 3.24), которых вместо вставки 6, имитирующей фильтрующий элемент, устанавливалась кассета с адсорбционным или каталитическим наполнителем.
Начальная толщина слоя адсорбционного материала составляла 120 мм, каталитического – 60 мм. В ходе исследования на объект испытания подавался поток со средней скоростью vcp = 1 м/с с примесями паров бензина с концентраций 300 мг/м3 для адсорбционной кассеты, с примесью оксида углерода с концентрацией 100 мг/м3 – для каталитической. После оценки фильтрующих характеристик толщина слоя уменьшалась на 5 мм, и испытания повторялись при тех же параметрах потока. Результаты испытаний объекта с адсорбционной кассетой представлены на рисунке 3.31, с каталитической кассетой – на рисунке 3.32.