Влияние начальных параметров и свойств рабочего тела на процесс разделения

Существующие расчетные методики и рекомендации по выбору основных размеров іузлов вихревых аппара­тов базируются на экспериментальных материалах, по­лученных при испытаниях вихревых труб на воздухе при нормальной температуре на входе в сопло и при «ачальном давлении рс = 0,3…0,7 МПа. При этом воз­дух можно рассматривать как идеальный газ с показа­телем адиабаты /г=1,4. Однако в практике возможны случаи, когда в качестве рабочего тела используют другие газы и газовые смеси; кроме того, иногда пре­небрежение реальностью рабочего тела может приве­сти к большим погрешностям расчета.

Влияние температуры сжатого газа Тс на процесс (разделения исследовано А. И. Гуляевым. Проведя опы­ты на гелии в диапазоне температур от 300до 80 К, он доказал, что перепад температур АТх прямо пропор­ционален температуре Тс. В рассмотренном диапазоне температур пренебрежение реальными свойствами ге­лия не может привести к заметной ошибке. Следова­тельно, если для рабочего тела справедливо уравнение состояния pv^RT, то в первом приближении можно Принимать Т]т= (Atx/ATs) e=Corist = const.

В литературе встречаются выводы, которые нахо­дятся в противоречии с этой зависимостью. Так, авто­ры работы [15] при анализе результатов испытания вихревой трубы на предварительно подогретом сжатом воздухе (ГС = 293…673К) сделали вывод, что с повы­шением температуры незначительно увеличивается адиабатный КПД. Вероятно, это можно объяснять по­терей теплоты в окружающую среду при недостаточно эффективной изоляции стенок камеры разделения. Вместе с тем авторы выявили снижение коэффициен­та температурной эффективности, которое при одном значении площади проходного сечения сопла начина­лось при Тс = 473 К, а при меньшем значении площа­ди—при Гс = 673 К.

Это противоречит предыдущему выводу авторов рабо­ты [15]. Недостаточно убедительно также объяснение изменения взаимосвязи АТх и Тс отклонением от опти­мального режима вследствие увеличения скорости те­чения газа в сопле. Накопленные в настоящее время материалы не позволили внести ясность в рассматри­ваемый вопрос.

Для исследования роли реальных свойств газов на процесс энергетического разделения проведены испы­тания вихревой трубы в диапазоне изменения темпе­ратуры сжатого воздуха от 300 до 93 К. Основные раз­меры опытного образца: Do=3,5 мм; L= 12; D = = 0,63; а = 3°. Температура охлажденного потока Тх Снижалась при снижении температуры сжатого воз­духа. Минимальное значение 7,xm! n~78 К достигнуто при rcs»100 К, т. е. при начале конденсации сжатого воздуха на входе в сопло. Значение Гхшіп близко к температуре кипения азота при давлении рх. Увеличе­ние доли жидкости на входе в сопло сопровождалось повышением температуры охлажденного потока до зна­чения, соответствующего температуре кипения возду­ха. При снижении температуры воздуха на входе в сопло температура нагретого потока снижалась. При появлении жидкой фазы в нагретом потоке темпера­тура 77 совпадала с температурой кипения азотно-кис — лородной смеси при концентрации и давлении, соот­ветствующих замеренным в эксперименте.

Если в качестве рабочего тела используют реаль­ный газ без примесей, то температура охлажденного потока снижается до минимального значения, соот­ветствующего его темперацуре кипения при р=р%. При дальнейшем снижении температуры газа перед соплом резко уменьшается разность температур Тт — Тх = —ДТх+ДТг. Если жидкая фаза имеется и в нагретом потоке, то температура нагретого потока практически совпадает с температурой кипения криоагента при давлении рс. Когда в сопло поступает парожидкостная смесь и в нагретом потоке есть жидкая фаза, темпера­туры всех трех потоков близки к температуре кипения жидкости при соответствующих давлениях, т. е. Тс> >ТГ>ТХ. Такое соотношение наблюдается при увеличе­нии относительной доли жидкости на входе в сопло до 1. Если жидкость перед соплом переохладить до тем­пературы Тс<Тг",то температура нагретого потока Т, = ТС; здесь Тт" — температура кипения жидкости при давлении р=рг. При поступлении жидкости с темпе­ратурой ТС<ТХ" устанавливается равенство ТХ=ТГ=ТС.

Когда вихревая труба работает на газовой смеси и в камере разделения один или несколько компонентов претерпевают фазовые превращения, характер измене­ния температуры отличается от рассмотренного. Умень­шается перепад температур А Тх из-за конденсации жидкости в приосевом потоке камеры разделения (бо­лее подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 3). Если тем­пературы кипения компонентов смеси различаются зна­чительно,1 минимальная температура охлажденного по­тока совпадает с температурой кипения низкокипящего компонента. Следует отметить, что если точка замерза­ния примесей выше температуры нагретого потока, то нарушается нормальная работа вихревой трубы из-за отложения твердого осадка на стенках сопла и камеры разделения. При работе на смеси, состоящей из компо­нентов с малоразличающимися температурами кипения, происходит не только температурное и фазовое, но и компонентное разделение смесей. Тогда при работе в двухфазной области температура потока близка к тем­пературе кипения жидкости при давлении и концентра­ции, совпадающих с их значениями для рассматривае­мого потока.

При расчете вихревых аппаратов, работающих на реальных газах, рационально і использовать тепловые диаграммы. В данном случае температурный коэффи­циент т]т = AiX/Ais. Разность энтальпий Ais находят по тепловой диаграмме. Значение т]т выбирают с учетом экспериментальных данных, полученных при испытании однотипных конструкций на газах, наиболее близких по свойствам исследуемому. Тогда

Діх = г]тАг’а и Дг’г = цт)тДгУ(1 — ц) = ТіД*У(1 — ц).

Холодопроизводительность Qx=Gx(IoxIx). Если при р = рх и Т=ТХ МОЖНО принять Ср ~const, TO Qx =
= срСх(Тох—Гс + ЛГхн + ДГхд) = CPGX[ATXB + ATXR— (Тс— — Тех)], здесь Тох и fox — температура и энтальпия газа на выходе из объекта охлаждения; ДГХв и ДГхд — сни­жение температуры газа за счет вихревого эффекта и Эффекта дросселирования.

Влияние давления перед соплом рс на эффективность температурного разделения — один из наименее изучен­ных вопросов. Встречающиеся противоречивые утверж­дения объясняются недостаточно корректным проведе­нием исследования. Практически авторы всех работ по этому вопросу не учитывают отклонения эффективности из-за различия свойств идеальных и реальных газов. Иногда недостаточно корректно учитывают изменение влагосодержания с повышением давления сжатого воз­духа и изменение роли теплообмена стенок камеры раз­деления с окружающей средой. Часто о влиянии давле­ния рс судят по данным экспериментов, в которых од­новременно ) с повышением рс увеличивалась степень расширения. К полезной информации по указанному вопросу можно отнести лишь работу [16], где приведе­ны результаты экспериментов, проведенных при посто­янной степени расширения и при различных давлениях. Выявлено, что снижение давления охлажденного пото­ка рх сопровождается уменьшением коэффициента тем­пературной эффективности. На рис. 11 приведена зави­симость Т]т/Т]тн ОТ рх(Цт И Т|тн — значения коэффициен­та при текущем значении рх и рх = 0,1 МПа). Снижение температурной эффективности автор объясняет увели­чением относительных потерь на трение и уменьшением интенсивности взаимодействия вихрей. Закономерности изменения характеристик вихревых аппаратов при по­вышении рх и e=const, т. е. при повышении рс = грх, не изучены. Логично предполагать увеличение коэффици­ента температурной эффек­тивности при росте рс в не — охлаждаемых вихревых тру­бах и аппаратах с циркуля­цией потока промежуточно­го давления. В охлаждае-

Рис. 11. Зависимость относитель­ной температурной эффективно­сти от давления охлажденного потока

Мых трубах г|т, вероятно, снижается из-за уменьшения относительной теплопередающей поверхности стенок ка­меры разделения.

Наиболее спорный вопрос — выбор рациональной степени расширения. Часто допускают ошибку, когда об оптимальности значения г судят по результатам ис­пытаний, проведенных; при постоянных площадях про­ходных сечений сопла и диафрагмы. Из анализа экспе­риментальных материалов следует, что любое конкрет­ное соотношение размеров узлов рационально толька при определенном значений е. Абстрактного (оторван­ного от размеров) оптимума є не существует; поэтому задачей расчета является определение размеров, опти­мальных для заданной или выбранной е.

Выше (см. п. 1.3) показано, что при рационально выбранной геометрии вихревой трубы увеличение сте­пени расширения до 16 сопровождается незначительным уменьшением коэффициента температурной эффектив­ности. Возникает вопрос — существует ли предельное значение епр? При современном развитии теории вихре­вого эффекта ответ на этот вопрос можно получить только после проведения специально организованного эксперимента. Из термодинамики известно: если на ди­афрагме устанавливается критический перепад давле­ний, то дальнейшее увеличение давления перед соплом не может привести к росту АТх, т. е.1 при дальнейшем повышении рс внутренняя степень расширения, дости­гаемая в камере разделения, остается постоянной. Из­вестно также, что перепад давлений на диафрагме вли­яет на осевую скорость, а следовательно, и на эффек­тивность процессов в камере разделения. Из сказанно­го следует, что ограничение степени1! расширения воз­можно, когда не удается подобрать соотношения раз­меров, исключающие критический режим течения ох­лажденного потока. Другой возможной причиной огра — ничения1, є является уменьшение КПД из-за снижения эффективности процесса разделения и увеличения по­терь вследствие уменьшения площади проходного сече­ния сопла.

Рекомендации по расчету и проектированию вихре­вых аппаратов основаны на, экспериментальном мате­риале, полученном при работе на воздухе. Справедли­вость использования этих рекомендаций для других га­зов изучена недостаточно.

Рис. 12. Характеристики вихревой трубы, работающей на различ­ных газах (D=8 мм; d = 0,5: /=0,1; 8=6; Тс = 330 К):

1 — гелнй; 2— водород; 3 —кислород, аргои, воздух

А. И. Гуляев предложил систематизировать экспери­ментальные материалы по зависимости А7,х=гіт7,с(1— . _g-(ft-i)/ft). Автор предпо­лагал, что на геометрически

Подобных трубах при одинаковых ^ сохраняется равен­ство г|т при работе! на различных газах. Другими ис­следователями показано, что это равенство не соблюда­ется даже в опытах на одной трубе. Следовательно, т)т является функцией не только геометрических пара­метров, но и теплофизических свойств газов. Наиболее обстоятельные материалы по этому вопросу получены В. М. Кудрявцевым [8]. Характеристики вихревой тру­бы при работе на различных газах приведены на рис. 12. Интересно отметить, что при работе на аргоне, воздухе и кислороде эффект охлаждения практически одинако­вый. Эти газы имеют близкие температуры конденса­ции при атмосферном давлении. Аргон — одноатомный газ, показатель адиабаты /е = 1,66, однако эффект ох­лаждения при работе на аргоне существенно отличает­ся от полученного при работе на гелии, который также является одноатомным газом с показателем адиабаты к= 1,67. Существенно разные эффекты охлаждения по­лучены при испытаниях на двухатомных газах (k« s»l,4)—водороде и кислороде. Из приведенных данных следует: показатель адиабаты нельзя считать единст­венным определяющим фактором; качественные харак­теристики процесса разделения сохраняются при работе на всех использованных в эксперименте газах.

Ваш отзыв

Рубрика: Вихревые аппараты

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *