Конфузор и диффузор что это

Истечение газов и паров. Особенности и характеристика режима истечения. Конфузор, диффузор, сопло Лаваля

Конфузор— сужающийся участок трубопровода, в котором происходит увеличение скорости потока жидкости или газа.

Диффузор— расширяющийся участок трубопровода, в котором происходит уменьшение скорости потока жидкости или газа.

Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов.

Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин.

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано американским инженером Робертом Годдардом в 1919 г.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Позже это явление нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики.

При анализе течения газа в сопле Лаваля принимаются следующие допущения:

1. Газ считается идеальным.

2. Газовый поток является изоэнтропным (то есть имеет постоянную энтропию, силы трения и диссипативные потери не учитываются) и адиабатическим (то есть теплота не подводится и не отводится).

3. Газовое течение является стационарнымым и одномерным, то есть в любой фиксированной точке сопла все параметры потока постоянны во времени и меняются только вдоль оси сопла, причём во всех точках выбранного поперечного сечения параметры потока одинаковы, а вектор скорости газа всюду параллелен оси симметрии сопла.

4. Массовый расход газа одинаков во всех поперечных сечениях потока.

5. Влиянием всех внешних сил и полей (в том числе гравитационного) пренебрегается.

6. Ось симметрии сопла является пространственной координатой x.

7. Отношение локальной скорости v к локальной скорости звука C обозначается числом Маха, которое также понимается местным, то есть зависимым от координаты x:

(1)

,

что, учитывая (1), преобразуется в . (2)

Уравнение (2) является ключевым в данном рассуждении.
Рассмотрим его в следующей форме:

(2.1)

Поскольку массовый расход газа постоянен:

,

,

дифференцируя обе части этого уравнения по x, получаем:

После подстановки из (2) в это уравнение, получаем окончательно:

(3)

Заметим, что при увеличении скорости газа в сопле, выражение: положительно и, следовательно, знак производной определяется знаком выражения: (M 2 − 1)

Из чего можно сделать следуюшие выводы:

При дозвуковой скорости движения газа (M 1), производная — сопло расширяется.

При движении газа со скоростью звука (M = 1), производная — площадь поперечного сечения достигает экстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.

Итак, на сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.
Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей всех других типов. Это превосходство имеет объяснение. Во-первых, рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины), а в реальных тепловых двигателях на этой передаче имеют место большие потери. Во-вторых, газ проходит через сопло так быстро, что не успевает отдать заметное количество своей тепловой энергии через теплоотдачу стенкам сопла, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.

Из уравнения состояния идеального газа, и баланса энергии в газовом потоке выводится формула расчёта линейной скорости истечения газа из сопла Лаваля: [1]

(4)

При работе сопла Лаваля в непустой среде (чаще всего речь идет об атмосфере) сверхзвуковое течение может возникнуть только при достаточно большом избыточном давлении газа на входе в сопло по сравнению с давлением окружающей среды.

При возникновении сверхзвукового течения давление газа на выходном срезе сопла может оказаться даже меньше давления окружающей среды (вследствие перерасширения газа при движении по соплу). Такой поток может оставаться стабильным, поскольку давление окружающей среды (пока оно не на много превышает давление газа на срезе сопла) не может распространяться против сверхзвукового потока.

В общем случае удельный импульс сопла Лаваля (при работе как в среде, так и в пустоте) определяется выражением:

(5)

Рис. 1. Схема подвижного соплового насадка.

Неограниченное увеличение степени расширения сопла асимптотически приближает скорость истечения газа к пределу, определяемому его внутренней энергией, при этом увеличивается длина, диаметр выходного сечения, и, следовательно, вес сопла. Конструктор сопла, работающего в пустоте, должен принять решение: при какой степени расширения дальнейшее увеличение размера и веса сопла не стоит того увеличения скорости истечения, которое может быть достигнуто в результате. Такое решение принимается на основании всестороннего рассмотрения функционирования всего аппарата в целом.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Потери давления в сети. Сужающие устройства

к. т. н. С. Б. Горунович (Усть-Илимская ТЭЦ)

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все чаще и чаще, для нужд учета количества воды и тепла, производится установка расходомерных устройств на сетях тепло и водоснабжения. При этом известно, что весомую часть суммарных, невосполнимых потерь при транспортировке составляют потери в местных сопротивлениях трубопроводов при передаче жидких и газообразных сред. Местные сопротивления приводят к потерям давления (напора) и, как результат, к снижению расходов у потребителей.

Некоторые расходомерные устройства являются сильными местными сопротивлениями (например – диафрагма). Случается, что при установке расходомерных устройств необходимо создать сужение существующего трубопровода с целью обеспечения достаточной скорости жидкости для эффективной работы расходомерного устройства. Следовательно, учет местных сопротивлений сужений, диафрагм, а также диффузоров и конфузоров (плавных расширений и сужений) в гидравлических расчетах сетей является актуальной задачей.

Местные потери полного давления возникают при местном нарушении нормального течения, отрыве потока от стенок, вихреобразовании и интенсивном турбулентном перемешивании потока в местах изменения конфигурации трубопровода или при встрече или обтекании препятствий (вход жидкости (газа) в трубопровод; расширение, сужение, изгиб и разветвление потока; протекание жидкости (газа) через отверстия, решетки, дроссельные устройства; фильтрация через пористые тела и т.д.). Эти явления усиливают обмен количеством движения между частицами движущейся жидкости (т. е. трение), повышая диссипацию энергии. К местным потерям давления относятся также потери динамического давления при выходе жидкости (газа) из сети в другой объем или окружающую среду [4].

Для оценки местных сопротивлений в современных гидравлических расчетах оперируют безразмерным коэффициентом гидравлического сопротивления, весьма удобным тем, что в динамически подобных потоках, при которых соблюдаются геометрическое подобие участков и равенство чисел Рейнольдса (и других критериев подобия, если они существенны) он имеет одно и то же значение независимо от вида жидкости (газа), а также от скорости потока (по крайней мере до чисел Маха=0,8–0,9) и поперечных размеров рассчитываемых участков [4]. Коэффициент гидравлического сопротивления представляет собой отношение потерянной на данном участке полной энергии (мощности) к кинетической энергии (мощности) в принятом сечении [4].

ДИАФРАГМА

Достаточно широко распространенным прибором для измерения расхода является диафрагма (расходомерная шайба), обычно выполняемая в виде плоского кольца с круглым отверстием в центре, устанавливаемого между фланцами трубопровода, см. рис.1.

На рисунках использованы следующие обозначения величин: w – скорость потока, F – площадь сечения, произведение величин wF – расход, D – диаметр, L – длина. Индексы показывают принадлежность к сечениям.

Края отверстия диафрагмы чаще всего имеют входные кромки под углом 45 град. Форма диафрагмы, конструктивные элементы расходомерного узла с диафрагмой регламентируются нормами (ГОСТ 8.586.2–2005).

Следует иметь в виду, что являясь простым и эффективным инструментом для измерения расхода, диафрагма имеет и свои отрицательные стороны, а именно, создает значимое сопротивление потоку.

Источники [4], [6] предлагают следующую формулу для определения коэффициента сопротивления диафрагмы, расчетная схема которой приведена на рис.1:

. (1)

В ГОСТ 8.586.2–2005 приведена более сложная зависимость для определения коэффициента сопротивления, учитывающая влияние некоторых конструктивных факторов, а так же числа Рейнольдса. По моему мнению, для расчетов инженерных сетей формула (1) остается более удобной, ввиду своей простоты и компактности. При этом при больших числах Рейнольдса (Re > 10 5 ) конструктивные факторы, учтенные в ГОСТ, оказывают слабое влияние на результат.

ДИФФУЗОРЫ

Плавные расширения коробов и трубопроводов при переходе от меньшего к большему сечениям носят названия диффузоров. Основными геометрическими характеристиками диффузоров с прямыми стенками являются угол расширения , степень расширения n_n1=F₁/F₀ и относительная длина l_д/D₀, см. рис.2. Возрастание коэффициента сопротивления диффузора заданной длины, с дальнейшим увеличением угла расширения, вызывается усиливающим турбулентным перемешиванием потока, отрывом пограничного слоя от стенки диффузора и связанным с этим сильным вихреобразованием [4].

В общем случае коэффициент сопротивления диффузора, установленного внутри сети, зависит от условий входа, от числа Рейнольдса, от относительной скорости [4]. Однако в инженерной практике, при относительных больших числах Рейнольдса и турбулентном течении, вышеперечисленными факторами пренебрегают.

Для инженерных расчетов для определения коэффициента сопротивления диффузора источники [1], [4], [5], [6] рекомендуют формулу:

. (2)

При равномерном профиле скорости во входном сечении и больших числах Рейнольдса (Re> 2×10 5 ) коэффициент (полноты удара) для конических диффузоров с углами расширения [4]:

. (3)

Если проанализировать зависимость величины коэффициента сопротивления диффузора от угла расширения , то можно условно выделить три зоны:

а) относительно низких значений коэффициента сопротивления;

б) зона быстрого роста ;

в) зона высоких значений коэффициента сопротивлений .

Очевидно, что для снижения сопротивления диффузора следует придерживаться правила: . Если по конструктивным, либо по каким-либо другим причинам не удается выдержать угол диффузора меньше 60 град., можно вообще отказаться от диффузора без ущерба для пропускной способности.

Что касается влияния числа Рейнольдса на величину коэффициента, к этому вопросу необходимо подходить более осторожно.

Существуют ссылки на рекомендуемые скорости сред в следующих источниках:

а) в СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» рекомендуемые скорости для трубопроводов насосных станций – 0,6 – 4 м/с;

б) в справочном пособии «Водяные тепловые сети» [2] – 0,5 – 3 м/с;

в) в учебном пособии «Системы вентиляции» [3] – 0,7 – 20 м/с.

Условия протекания в коротких диффузорах (с большими углами расширения) могут быть значительно улучшены, а сопротивление уменьшено, если предупредить в них отрыв потока или вихреобразование [4]. Примеры конструктивных решений, способствующих снижению коэффициента сопротивления, приведены на рис.3. Согласно [4] коэффициент сопротивления диффузора при этом может быть снижен на 35 – 40%.

Более подробно способы снижения сопротивления рассмотрены в фундаментальном труде И. Е. Идельчика [4].

КОНФУЗОРЫ

Переход от большего сечения к меньшему, через плавно сужающийся участок – конфузор, также сопровождается сравнительно большими невосполнимыми потерями полного давления. Коэффициент сопротивления конфузора с прямолинейными образующими также зависит от угла сужения , степени сужения n₀=F₀/F₁ и относительной длины l₀/D₀, а при малых числах Рейнольдса также и от числа Рейнольдса, см. рис.4.

Для инженерных расчетов общий коэффициент сопротивления конфузоров удобно представить в виде [4], [6]:

, (4)

где , (в градусах).

В пределах общий коэффициент сопротивления конфузора с прямолинейными образующими имеет минимум, который, по крайней мере при Re > 10 5 остается практически постоянным и равным 0,05 [4].

Сопротивление конфузоров можно значительно уменьшить, осуществив плавный переход от большего сечения к меньшему, с помощью криволинейных образующих (по дуге окружности или другой кривой), а также скруглив прямолинейные стенки конфузоров на выходе в прямой участок, см. рис.6.

КОНФУЗОРНО-ДИФФУЗОРНЫЙ ПЕРЕХОД

Известно, что сопротивления, расположенные рядом, оказывают взаимное влияние друг на друга.

Cтраницы: 1 | 2 | 3 | читать дальше>>

Источник

Вентиляторы градирни ВГ

Содержание статьи

ВЕНТИЛЯТОР ГРАДИРНИ. ТИПЫ

Охлаждение оборотной воды является необходимой и важной задачей для многих промышленных предприятий.

Для решения данного вопроса на производствах используются охлаждающие установки различных типов.

Благодаря высокой эффективности, компактности, возможности модернизации и расширения наибольшее распространение получили секционные вентиляторные градирни.

Как в любой открытой мокрой градирне, охлаждение воды в них происходит за счет передачи тепла от жидкости атмосферному воздуху при поверхностном испарении.

Для увеличения эффективности процесса охлаждения в градирне необходимо создать устойчивый воздушный поток, который позволит отводить нагретую паровоздушную смесь от блоков оросителя и проходить испарению более интенсивно.

В вентиляторных градирнях эту задачу решает вентиляторная группа (откуда и появилось соответствующее название). В зависимости от проекта градирни используются специальные осевые отсасывающие или нагнетательные вентиляторы.

Нагнетательные вентиляторы чаще всего располагают снизу градирен, а вытяжные – сверху. Связано это с необходимостью подавать воздух непосредственно в оросительный слой.

Применение вытяжных вентиляторов более эффективно, так как вход воздуха и его поворот под прямым углом в градирне происходит при меньшей скорости потока. Уменьшение скорости достигается за счет проектирования воздуховходных окон большего размера и размещения их с двух или четырех сторон градирни. При нагнетательном вентиляторе сделать этого невозможно, т.к. воздух будет просто выдуваться через противоположную сторону.

Применение вытяжных вентиляторов за счет меньшей скорости воздуха позволяет равномернее распределить воздушный поток и увеличить охлаждающий эффект. Кроме того, при выходе из диффузора скорость теплой воздушно-капельной смеси в 2-3 раза выше именно у вытяжных вентиляторов. Это не позволяет теплому воздуху попадать обратно в воздуховходные окна, что значительно повышает эффективность работы охлаждающей установки.

Для сравнения: нагнетательный вентилятор создает поток около 1,7 – 2,5 м/сек, а высасывающий уже 8 – 10 м/сек. При этом поток влажного воздуха во втором случае строго вертикален, что почти полностью исключает рециркуляцию и ухудшение охлаждения.

В зимний период работы нагнетательные вентиляторы могут обмерзать, т.к. на них попадают капли воды, выносимые из градирни. При отрицательных температурах данная влага будет замерзать на лопастях, вызывая различные проблемы, в т.ч. дисбаланс рабочего колеса. Вытяжные вентиляторы лишены данной проблемы, т.к. рабочее колесо находится в зоне теплого воздуха.

Из плюсов всасывающих вентиляторных установок можно отметить возможность их расположения на собственном фундаменте на земле. Это снижает нагрузку на каркас установки и облегчает доступ к оборудованию для технического обслуживания.

Однако минусы нагнетательных вентиляторов значительно перевешивают их плюсы.

На сегодняшний день применение нагнетательных вентиляторов имеет смысл только на малогабаритных градирнях, для которых малая стоимость установки важнее большого потока воздуха.

Кроме того, применение соосных высасывающих вентиляторов, у которых рабочее колесо посажено на вал тихоходного электродвигателя, позволяет практически полностью исключить вибрацию. А размах лопастей вентилятора ограничен только размером секции градирни.

Подобрать вентиляторную градирню

Ответьте на 5 вопросов и получите ТКП вентиляторной градирни для вашего производства и гарантированную скидку

ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯТОР ГРАДИРНИ

Рассмотрим охлаждающую установку с вытяжным вентилятором более подробно.

Внутри корпуса вентилятора размещается электропривод с установленным на нем рабочим колесом. Существует несколько стандартных видов привода вентилятора. Это прямой привод с использованием тихоходного электродвигателя, или мотор-редуктора, а также выносной привод, реализуемый по схеме мотор-вал-редуктор. Оба варианта имеют свои плюсы и минусы, а реализация конкретного решения зависит от пожеланий персонала, эксплуатирующего градирни.

ВЕНТИЛЯТОР ГРАДИРНИ С ПРЯМЫМ ПРИВОДОМ

Схема градирни с прямым приводом приведена ниже, здесь же на видео показано, как он работает.

Прямой привод характеризуется меньшим числом элементов, более легким обслуживанием. Серийный выпуск тихоходных двигателей для этого решения ведется несколькими заводами, например Сафоновским электромашиностроительным заводом.

Основные плюсы использования прямого привода вентилятора:

ВЕНТИЛЯТОР ГРАДИРНИ С ЗАВИСИМЫМ ПРИВОДОМ

Зависимый привод в схеме градирни чаще всего реализуется при помощи общепромышленного двигателя, связанного с редуктором с помощью композитного вала.

Главным плюсом такого решения является расположение электродвигателя вне градирни, что исключает воздействие влажной среды на двигатель и облегчает его обслуживание.

Кроме того, общепромышленные двигатели обычно более компактны по сравнению с тихоходными осевыми двигателями.

Использование выносного привода получило большое применение на специальных отдельностоящих промышленных градирнях с большой площадью орошения, таких как СК-400 и СК-1200. Для вращения рабочего колеса большого диаметра (от 10 до 20 м) требуется двигатель большой мощности. Тихоходные двигатели плохо подходят для такой задачи ввиду своих больших размеров и высокой массы.

Современное оборудование (редукторы, композитные валы), специально разработанное для использования в градирнях, обеспечивает высокую надежность выносного привода. Однако наличие большого количества узлов в такой конструкции увеличивает риск выхода из строя отдельных элементов и, как следствие, остановки градирни на ремонт. Кроме того, изготовление редукторов и углепластиковых валов в России не налажено, что несет риски долговременной остановки производства в случае поломки.

Основные плюсы использования выносного привода вентилятора:

ОСЕВОЙ ВЕНТИЛЯТОР ГРАДИРНИ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Далее мы более подробно рассмотрим элементы, составляющие охлаждающую установку с вытяжным вентилятором.

Классическая вентиляторная группа состоит из:

В некоторых случаях конфузорная и диффузорная части совмещены в единую конструкцию.

Для чего же служат все эти элементы? Давайте разберемся вместе.

КОНФУЗОР ВЕНТИЛЯТОРА ГРАДИРНИ

Конфузор вентилятора служит для плавного перехода от большего сечения градирни в меньшее сечение корпуса вентилятора. Он позволяет уменьшить коэффициент местного сопротивления, и, как следствие, уменьшить потери давления, развиваемого вентилятором. Кроме этого, конфузор уменьшает образование застойных зон теплого воздуха в углах секции градирни.

Конфузор позволяет вентиляторной градирне стабильнее работать при максимальной нагрузке.

ДИФФУЗОР ВЕНТИЛЯТОРА ГРАДИРНИ

Диффузор (корпус вентилятора) служит для ограничения пространства вокруг рабочего колеса градирни для создания направленного устойчивого воздушного потока. Кроме того, корпус вентилятора защищает зону рабочего колеса от попадания в нее посторонних предметов.

Диффузоры разных производителей могут незначительно отличаться по своей форме, в целом представляя собой однополосный гиперболоид.

В построенных по типовым советским проектам градирнях применялись серийно выпускавшиеся Ашхабадским заводом нефтяного машиностроения корпуса серии ВГ. Эта маркировка сохранилась и по сегодняшний день.

Ряд типовых корпусов секционных вентиляторных градирен составляют ВГ – 25, ВГ – 50, ВГ – 70. А для градирни СК – 400 корпус называется ВГ – 104. Серия же корпусов ВГ – 102 прекратила свое существование.

Все они изготавливаются из армированного стеклопластика методом контактной формовки. Корпуса состоят из нескольких секторов, каждый из которых представляет собой законченную конструкцию. Количество секторов, входящих в комплект корпуса вентилятора и их основные размеры определяются типом корпуса.

Для повышения прочностных характеристик и снижения вибрации, шума, каждый сектор диффузора изготавливается из двух оболочек с ребрами жесткости.

Для простоты монтажа корпуса рекомендуется использовать специальное установочное кольцо из металла. Оно значительно упрощает процесс сборки и крепления корпуса вентилятора. Кроме того, данное оборудование позволяет смонтировать диффузор на земле и поднять на градирню полностью готовый узел.

ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРА ГРАДИРНИ

Двигатель, или электропривод градирни – этот тот элемент, без которого само понятие вентиляторной градирни невозможно. Именно этот агрегат приводит рабочее колесо во вращение, создавая необходимый поток воздуха.

От надежности и параметров привода зависит эффективность градирни в целом.

Как сказано выше, есть два вида привода рабочего колеса во вращение: прямой и зависимый. Для зависимого привода используются общепромышленные двигатели с высоким числом оборотов: 1000 – 3000 оборотов в минуту. Уменьшение и увеличение скорости вращения крутящего момента производится в редукторе, подбором необходимого сочетания числа звеньев в передаче. Это соотношение называется передаточным числом. Так, если вал электродвигателя вращается со скоростью 1500 об/мин, то для получения необходимого числа оборотов рабочего колеса (менее 200), требуется передаточное число редуктора n = 7.5

Прямой привод может быть реализован двумя вариантами: тихоходным электродвигателем серий 3АСВО, ВАСО, ВАСО4 или ДАО, а также мотор-редуктором. Мотор-редуктор представляет собой моноблок, объединяющий быстроходный мотор и редукторный узел, что позволяет получить на выходе необходимое число оборотов, без использования большого числа полюсов электродвигателя.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование асинхронного тихоходного двигателя в качестве привода градирни. Асинхронные электродвигатели отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Трехфазные асинхронные двигатели позволяют с легкостью реализовать функцию реверса, то есть изменить направление вращения двигателя на противоположное. Для этого достаточно изменить место расположения двух линейных фаз, которые замыкаются на обмотку статора. В отличие от синхронного, это простой и дешевый двигатель, применяющийся во многих отраслях промышленности.

В любом случае, основная цель привода вентилятора градирни заключается во вращении рабочего колеса с необходимой скоростью. В зависимости от климатических параметров (температуры и влажности наружного воздуха) требуется прокачать различное количество воздуха для достижения необходимой температуры оборотной воды. Объем прокачиваемого воздуха регулируется скоростью вращения рабочего колеса. Задачу по корректировке скорости решает преобразователь частоты, устанавливаемый совместно с электродвигателем. Сейчас такое решение применяется практически повсеместно, позволяя в ручном или автоматическом режиме управлять работой вентустановки.

РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГРАДИРНИ

Наконец, последним элементом вентилятора градирни является рабочее колесо. Именно оно, благодаря специальной форме лопастей, при вращении создает необходимый воздушный поток.

Ранее рабочие колеса для градирен изготавливались из стали или различных сплавов. Сейчас же, как и в случае с корпусами вентиляторов, практически все производители перешли на стеклопластик. Преимущества стеклопластика:

У различных производителей может отличаться конструкция рабочего колеса. Но в любом случае, она должна быть надежной и обеспечивать возможность регулировки угла атаки лопастей.

Источник