УДК 533.6:628.5
ББК 38.762.201
Л 69
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В. Н. Посохин,
заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции КГАСУ
доктор физико-математических наук, профессор А. В. Сетуха,
ведущий научный сотрудник НИВЦ МГУ им. М. В. Ломоносова
Логачёв И. Н., Логачёв К. И., Аверкова О. А.
Энергосбережение в аспирации: теоретические предпосылки и рекомендации.
— М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2013. —
504 с.
Монография посвящена вопросам уменьшения объемов аспирации и, на этой основе,
снижению энергопотребления аспирационных установок на предприятиях по переработке
сыпучих материалов строительной индустрии, горной и пищевой промышленности.
Книга содержит новейшие теоретические предпосылки и практические рекомендации
по уменьшению расхода воздуха, эжектируемого потоком частиц в желобах
и поступающего в аспирационные укрытия через неплотности. Изложены закономерности
рециркуляции воздуха в желобах при различных схемах байпасирования зон избыточного
давления и разрежения, показана высокая эффективность внутреннего рецикла
на энергосбережение вентиляционных установок. Исследованы течения воздуха
на входе во всасывающие каналы и даны рекомендации по снижению утечек воздуха
в укрытиях. Уделено внимание и вопросам снижения пылеуноса в аспирационные системы,
а также уменьшению аэродинамического сопротивления входа во всасывающие
отверстия за счет их профилирования по найденным границам.
Книга предназначена для конструкторов и проектировщиков высокого класса, работающих
в области обеспыливающей вентиляции, экологии и энергосбережения,
а также для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей
технических вузов.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Совета по грантам Президента
РФ (проект НШ-588.2012.8), РФФИ (проект № 12-08-97500-р_центр_а), программы
стратегического развития БГТУ им. В. Г. Шухова (проект А-10/12).
ISBN 978-5-93972-959-8
© И. Н. Логачёв, К. И. Логачёв, О. А. Аверкова, 2013
© НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2013
http://shop.rcd.ru
http://ics.org.ru
ББК 38.762.201
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....................................................................................................... 9
Введение ............................................................................................................ 13
В1. Общие принципы минимизации объемов аспирации при перегрузках
сыпучих материалов............................................................ 14
В.2. Совершенствование конструктивных решений по энергосбережению
при локализации пылевыделений в узлах перегрузок
ленточных конвейеров .......................................................................... 22
В.2.1. Конструкции энергосберегающих устройств в желобах ....... 23
В.2.2. Герметизационные системы аспирационных укрытий .......... 33
В.2.3. Снижение выноса пылевидных фракций материала
из укрытий ......................................................................................... 38
В.3. Выводы .............................................................................................. 40
ЧАСТЬ I. РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ЭЖЕКТИРУЕМОГО ВОЗДУХА
В ЖЕЛОБАХ .................................................................................................... 41
Основные условные обозначения ................................................................ 43
ГЛАВА 1. Особенности эжекции воздуха в перфорированном канале
с байпасной камерой .......................................................................... 59
1.1. Одномерные уравнения динамики эжектируемого и рециркулируемого
воздуха ............................................................................... 59
1.2. Линеаризация уравнений относительного движения эжектируемого
воздуха в перфорированной трубе ....................................... 65
1.3. Численные исследования .................................................................. 68
1.3.1. Оценка граничных условий ....................................................... 68
1.3.2. Частный случай эжекции воздуха в трубе с непроницаемыми
стенками (Е = 0) ..................................................................... 71
1.3.3. Осреднение функций и упрощение уравнений ........................ 78
1.3.4. Особенности численного исследования ................................... 82
Стр.3
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.3.5. Линеаризация уравнения абсолютного движения эжектируемого
воздуха ................................................................................ 85
1.3.6. Сопоставление результатов интегрирования ........................... 90
1.4. Особенности рециркуляции воздуха в перегрузочном желобе
с комбинированной байпасной камерой ............................................. 97
1.4.1. Исходные уравнения ................................................................... 97
1.4.2. Частный случай байпасирования неперфорированного
желоба .............................................................................................. 102
1.4.3. Эффективность комбинированного байпасирования ........... 108
1.5. Выводы .............................................................................................. 118
ГЛАВА 2. Эжекция воздуха в пористой трубе при линейном перетекании
........................................................................................................ 121
2.1. Пористая труба без байпаса ............................................................ 122
2.1.1. Уравнения одномерного течения эжектируемого воздуха
в пористой трубе ............................................................................. 122
2.1.2. Результаты исследований ......................................................... 126
2.2. Пористая труба с байпасной камерой ............................................ 133
2.2.1. Аналитические решения ........................................................... 133
2.2.2. Численные исследования ......................................................... 135
2.2.3. Результаты исследований ......................................................... 137
2.2.3.1. Особенности рециркуляции .............................................. 138
2.2.3.2. Изменение скорости эжектируемого воздуха ................. 144
2.2.3.3. Изменение давлений .......................................................... 149
2.3. Выводы .............................................................................................. 151
ГЛАВА 3. Особенности эжекции воздуха при элеваторных
перегрузках ............................................................................................. 155
3.1. Изменение эжекционного напора в желобах при переменном
коэффициенте лобового сопротивления падающих частиц ........... 155
3.2. Эжектирующие свойства норий ..................................................... 162
3.3. Перетекание воздуха по герметичным кожухам элеватора ......... 173
3.4. Выводы .............................................................................................. 184
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
Глава 4. Снижение объемов аспирации элеваторных перегрузок
зерна ......................................................................................................... 187
4.1. Аэродинамическая характеристика ковшей элеватора ................ 187
4.2. Особенности расчетной схемы аспирации элеваторных перегрузок
.................................................................................................... 192
4.3. Объемы аспирации ........................................................................... 199
4.4. Снижение необходимых объемов аспирации при байпасировании
элеваторных перегрузок .......................................................... 205
4.5. Выводы .............................................................................................. 226
ЧАСТЬ II. ОТРЫВНЫЕ И ВИХРЕВЫЕ ТЕЧЕНИЯ
В АСПИРАЦИОННЫХ КАНАЛАХ .......................................................... 231
ГЛАВА 1. О формах отрывных областей на входе во всасывающие
каналы ..................................................................................................... 233
1.1. Некоторые расчетные соотношения метода дискретных вихрей
для плоских и осесимметричных вихревых нестационарных
течений ......................................................................................... 233
1.2. Расчет вихревого течения у щелевидного отсоса, расположенного
над прямым двухгранным углом ....................................... 239
1.3. Расчет течения на входе в щелевидное всасывающее отверстие,
свободно расположенное в пространстве ............................... 246
1.4. Расчет течений на входе в щелевидный отсос-раструб, свободно
расположенный в пространстве ............................................. 253
1.5. Расчет течения на входе в круглый отсос-раструб, свободно
расположенный в пространстве ......................................................... 262
1.6. Экспериментальное исследование течения у щелевидного
профилированного отсоса-раструба ................................................. 266
1.7. Расчет течения у круглого отсоса-раструба, экранированного
приточной кольцевой турбулентной струей .................................... 272
1.8. Расчет вихревых течений на входе в щелевые неплотности
аспирационных укрытий .................................................................... 276
1.8.1. Постановка задачи .................................................................... 280
1.8.2. Вывод основных расчетных соотношений ............................. 281
1.8.3. Описание разработанной компьютерной программы ........... 284
Стр.5
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.8.4. Моделирование вихревых течений в аспирационном укрытии
с щелевой неплотностью, снабженной механическими
экранами ........................................................................................... 289
1.9. Выводы .............................................................................................. 295
ГЛАВА 2. Снижение пылеуноса в аспирационную сеть .......................... 299
2.1. Вывод основных расчетных соотношений .................................... 299
2.1.1. Безвихревая модель течения .................................................... 299
2.1.2. Вихревые течения в областях с вращающимися цилиндрами-отсосами
................................................................................. 303
2.2. Модельные задачи ............................................................................ 309
2.2.1. Расчет максимального диаметра пылевых частиц от укрытия
с одинарными стенками ...................................................... 311
2.2.2. Расчет максимального диаметра пылевых частиц от укрытия
с двойными стенками .......................................................... 312
2.2.3. Расчет максимального диаметра пылевых частиц от укрытия
с двойными стенками, снабженного вращающимся
цилиндром ........................................................................................ 314
2.2.4. Расчет максимального диаметра пылевых частиц от укрытия
с двойными стенками, снабженного двумя вращающимися
цилиндрами ....................................................................... 320
2.2.5. Расчет максимального диаметра пылевых частиц от укрытия
с двойными стенками, снабженного вращающимися
цилиндром и цилиндром-отсосом ................................................. 320
2.3. Моделирование динамики пылевых частиц в пульсирующих
потоках ................................................................................................. 321
2.4. Моделирование динамики полифракционной аэрозоли в аспирационном
укрытии ........................................................................ 328
2.4.1. Исследования изменения дисперсного состава и концентрации
пылевых частиц во вращающемся цилиндре-отсосе,
расположенном в аспирационном укрытии ................................. 328
2.4.2. О поведении пылевой аэрозоли в аспирационном укрытии
стандартной конструкции ....................................................... 333
2.5. Выводы .............................................................................................. 341
ГЛАВА 3. Моделирование движения воздуха, поступающего через
неплотности аспирационных укрытий, без учета отрыва потока
........................................................................................................... 345
Стр.6
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
3.1. Влияние конструктивных параметров на равномерность поля
скоростей в проеме ............................................................................. 346
3.1.1. Влияние угла раскрытия границ течения ............................... 346
3.1.2. Влияние толщины стенок ......................................................... 351
3.2. Влияние местного отсоса на равномерность поля скоростей
в проеме ................................................................................................ 359
3.2.1. Роль асимметрии в размещении местного отсоса ................. 359
3.2.2. Деформация гидродинамического поля при совместном
действии местного отсоса и острых границ течения ..................... 364
3.3. Выводы .............................................................................................. 371
ГЛАВА 4. Моделирование отрыва потока на входе в выступающий
плоский всасывающий канал ............................................................. 373
4.1. Расчет течения методом конформных отображений (МКО) ...... .373
4.2. Расчет на основе метода дискретных вихрей (МДВ) ................... 382
4.3. Расчет методом RANS ..................................................................... 384
4.4. Экспериментальное исследование ................................................. 386
4.5. Результаты расчета и их обсуждение ............................................ 388
4.6. Выводы .............................................................................................. 394
ГЛАВА 5. Математическое моделирование влияния экрана на величину
аэродинамического сопротивления всасывающей
щели ......................................................................................................... 395
5.1. Вывод расчетных соотношений .................................................... .395
5.2. Результаты расчета и их обсуждение ............................................ 407
5.3. Выводы .............................................................................................. 414
ГЛАВА 6. Моделирование струйного течения воздуха при входе
в плоский канал с козырьком и непроницаемым экраном ......... 415
6.1. Построение расчетных соотношений ............................................ 415
6.2. Результаты расчета и их обсуждение ............................................. 423
6.3. Выводы .............................................................................................. 428
ГЛАВА 7. Закономерности отрывного течения при входе в выступающий
канал с экранами .................................................................. 429
7.1. Вывод расчетных соотношений ..................................................... 429
Стр.7
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
7.2. Результаты исследований ................................................................ 451
7.3. Выводы .............................................................................................. 454
ГЛАВА 8. Моделирование отрывных течений с использованием
стационарных дискретных вихрей .................................................... 457
8.1. Отрыв течения на входе в плоский выступающий всасывающий
канал ............................................................................................. 457
8.1.1. Основные расчетные соотношения и алгоритм расчета ....... 458
8.1.2. Результаты расчета и их обсуждение ...................................... 464
8.2. Отрыв течения на входе в плоский всасывающий канал,
в спектре действия которого находится тонкий профиль
при бесциркуляционном его обтекании ........................................... 466
8.2.1. Вывод основных расчетных соотношений ............................. 466
8.2.2. Исследование отрывного течения на входе в плоский канал
с двумя козырьками ................................................................. 470
8.3. О циркуляционном и безударном обтекании профилей, находящихся
в спектре действия плоского всасывающего канала ....... 473
8.3.1. Описание вычислительного метода ........................................ 473
8.3.3. Описание установки для натурного эксперимента ............... 479
8.3.4. Исследование отрывного течения на входе в выступающий
канал с вертикальным профилем. ......................................... 480
8.4. Об отрывном обтекании профилей, находящихся в спектре
действия всасывающего канала ......................................................... 488
8.4.1. Вычислительный алгоритм ...................................................... 488
8.4.2. Результаты расчета и их обсуждение ...................................... 493
8.5. Выводы .............................................................................................. 494
Библиографический список ........................................................................ 497
Стр.8