51 УДК 532.5 ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКОРОСТИ ПОТОКА В ЦИКЛОННЫХ КАМЕРАХ БОЛЬШОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЛИНЫ Канд. техн. наук, доц. ОРЕХОВ А. Н., докт. техн. наук, проф. САБУРОВ Э. Н. Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова Работа выполнена в рамках программы имени Леонарда Эйлера на стенде, созданном совместно сотрудниками кафедры теплотехники САФУ имени М. В. Ломоносова и лаборатории лазерной техники Университета прикладных наук г. Эмдена1 (Германия). Основой измерительного комплекса экспериментальной установки яв- лялся двухлучевой лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) фирмы Dan- tec Measurement Technology A/S. Для трассирования воздушного потока при измерениях использовали силиконовую жидкость, образующую при диспергировании в генераторе Safex Fog Generator микроскопические части- цы тумана размером около 1 мкм. Они имели практически одинаковую с воздухом плотность и при вводе в рабочий объем циклонной камеры пере- мещались со скоростью потока, не оказывая влияния на его характеристики. В работе производили измерения распределений пульсационных и осредненных тангенциальной и аксиальной скоростей турбулентного цик- лонного потока. Модель циклонной камеры (рис. 1) была выполнена из органического стекла и состояла из закручивателя 1, шлицев 2, глухого торца 3, сменных секций рабочего объема 4 и выходного пережима 5. Внутренний диаметр закручивателя и секций рабочего объема камеры Dк = = 2Rк = 179 мм. Закручиватель длиной 124 мм имел два тангенциаль- ных шлица прямоугольного сечения общей площадью вх 2 13 39f мм 2. В относительном виде 2квхвх /4 Dff = 0,04, а высота шлицев квхвх /Rhh = = 0,0726. Относительный диаметр выходного отверстия пережима вых вых к/d d D = 0,43. Закручиватель со сменными секциями позволял соби- рать циклонные камеры с относительной длиной Lк = Lк /Dк = 1,55; 6,30; 11,88 и 17,48. Рис. 1. Схема циклонной камеры Воздух в экспериментальную установку подавали от центробежного вентилятора с плавной регулировкой производительности. Эвакуацию сме- си воздуха с аэрозолем осуществляли из пережима в систему вытяжной 1 На отдельных этапах работы участие в ней принимал проф. В. Гарен. 2 5 3 1 4 52 вентиляции. Измерения полей осредненных и пульсационных скоростей потока производили в распределенных по длине рабочего объема сечениях при различных числах Рейнольдса. Координаты измерительных сечений z = z/Dк в осевом направлении отсчитывали от глухого торца камеры. Их значения представлены в табл. 1. Таблица 1 Координаты измерительных сечений кL z 1,55 1,00 – – – 6,30 1,00; 2,50; 6,05 – 11,88 1,35; 5,85; 11,63 – 17,48 1,35; 5,85; 11,63; 17,23 Поскольку в экспериментах использовали двухлучевую лазерную си- стему, для измерения тангенциальной wφ и осевой wz компонент скорости в каждом сечении замеры производили дважды: с вертикальной и горизон- тальной ориентацией плоскости пересечения лазерных лучей. Полученные в работе распределения безразмерной тангенциальной вх/www и осевой вхzz /www компонент скорости подтвердили извест- ные представления о потоке в относительно коротких циклонных камерах, особенности его вихревой структуры, выводы об его приближенной авто- модельности относительно критерия Рейнольдса Reвх = wвхDк/νвх (wвх – ско- рость потока во входных каналах; вх – кинематический коэффициент вязкости) при высоких входных скоростях [1, 2]. Распределения тангенци- альных скоростей условно можно разделить на зоны: внутреннюю и внеш- нюю (квазипотенциальную), считать их практически осесимметричными. Однако с увеличением Lк установленные ранее схемы вихревых потоков продолжают наблюдаться лишь в средних сечениях рабочего объема, а распределения тангенциальных скоростей начинают существенно ме- няться по его длине. В средней части камеры появляются профили, значи- тельную радиальную часть которых можно приближенно описать уравне- нием const)(rw [3], где r = r/Rк. Распределения тангенциальной и акси- альной скоростей в циклонной камере с Lк = 17,48 при различных z и среднем значении числа Рейнольдса, а также при z = 5,85 и изменении Reвх ∙ 10 –4 от 4,38 до 27,32 приведены на рис. 2. Как следует из рис. 2, распределения wφ в общем случае зависят от входного числа Рейнольдса; их значения незначительно увеличиваются с ростом последнего. Влияние Reвх на распределение осевой скорости бо- лее значительно проявляется в приосевой зоне течения при r < 0,2. При r > 0,2 значения wz практически не зависят от Reвх. В целом полу- ченные данные позволяют сделать заключение о приближенной автомо- 53 дельности циклонного потока в рассмотренном диапазоне Reвх и в относи- тельно длинных камерах. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 r r 16,21 27,32 Reвх10 -4 = 4,38 8,14 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Reвх10 -4 = 4,38 8,14 16,21 27,32 Рис. 2. Распределения wφ и wz в циклонной камере с Lк = 17,48 при различных z и Reвх Распределения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осе- вой компонент скорости 2w и 2 zw и составляющие относительной ин- тенсивности их пульсаций ww 2 и ww 2zz приведены на рис. 3, где w – осредненное значение модуля вектора скорости в точке за- мера. На рис. 3 использованы те же обозначения, что и на рис. 2. Из пред- ставленных данных видно, что в циклонных камерах большой относитель- ной длины, как и в относительно коротких [1], имеет место высокий уро- вень интенсивности пульсаций компонент вектора скорости потока. В большинстве сечений изменения относительных интенсивностей пульсаций εφ и εz вдоль радиуса камеры качественно одинаковы. На радиу- сах r от 0,2 до 0,9 значения εφ и εz составляют около 10 %. В пристеноч- ной области течения интенсивность пульсационного движения начинает возрастать и в нескольких миллиметрах от поверхности достигает 20 % и более. Аналогичное еще более сильное возрастание интенсивности тур- булентности наблюдается при приближении к оси циклонной каме- ры. Особенно заметно это проявляется во входном ее сечении с z = 1,35. Заметим, что в сечении ввода потока в камеру распределения wφ, wz, 2w и 2 zw имеют особый, отличный от других сечений рабочего объе- ма, характер. Рост εφ и εz вблизи оси и стенки циклонной камеры в определенной ме- ре объясняется и тем, что в рассматриваемых областях снижение осред- w w zw zw r r r – , – , –0,1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0r = 1,35 5,85 11,63 17,25 z r w 54 ненного значения модуля вектора скорости до нуля происходит значитель- но интенсивнее, чем нарастание w и zw . С продвижением потока к вы- ходному отверстию уровень среднеквадратичных пульсаций компонент вектора скорости снижается и достигает наименьших значений в области стока. Опыты показали, что в относительно длинных циклонных камерах наблюдается приближенная автомодельность не только осредненных, но и турбулентных характеристик течения относительно критерия Рейнольдса в рассмотренном диапазоне его изменения. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Reвх10 -4=4,38 8,14 16,21 27,32 Рис. 3. Распределения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осевой скоростей и относительные интенсивности их пульсаций в циклонной камере с Lк = 17,48 при различных z и Reвх Значения вышерассмотренных турбулентных характеристик на опреде- ленных характерных радиусах циклонного потока в сечении с z = 5,85 приведены в табл. 2. Верхняя строка в столбцах значений для каждого из рассмотренных r соответствует минимальному, а нижняя – максимально- му значению чисел Reвх, имевших место в опытах. В табл. 2 приведена также степень турбулентности потока, вычисленная по формуле 2 2 2 21ε 2 z zw w w w . Значения характерных радиусов выбраны по распределениям wφ. Так, радиус r = 0,1 примерно соответствует среднему радиусу «квазитвердой» зоны течения, r = 0,2 и 0,8 – границам квазипотенциальной зоны тече- ния, r = 0,9 – границе пристенной зоны течения на боковой поверхности камеры. Из табл. 2 и рис. 3 следует, что степень турбулентности ε, тангенциаль- ная и аксиальная составляющие относительной интенсивности пульсаций 2 ,w м/с 2 ,zw м/с r r r r z 0,4 0,2 0,0 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 55 в квазипотенциальной зоне практически не зависят от Reвх. Минимальные значения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осевой компо- нент скорости (11–15 %) наблюдаются при r = 0,8. При уменьшении r до 0,2 среднеквадратичные пульсации возрастают до 20–22 % и продолжа- ют увеличиваться в «квазитвердой» зоне вращения, достигая при r = 0,1 значений 0,4 и более. Таблица 2 Значения турбулентных характеристик r 2 ,w м/с 2z ,w м/с εφ εz ε 0,1 0,16 0,20 0,40 0,40 0,40 1,10 0,93 0,37 0,32 0,35 0,2 0,15 0,19 0,20 0,22 0,21 0,68 0,75 0,20 0,21 0,20 0,8 0,13 0,17 0,11 0,15 0,14 0,54 0,54 0,12 0,13 0,13 0,9 0,12 0,18 0,11 0,16 0,14 0,50 0,52 0,12 0,13 0,10 О высокой турбулентности и сложности потока в циклонной камере свидетельствуют и результаты его визуализации. Через прозрачную боко- вую стенку при Lк = 11,88 можно было наблюдать, как две струи с аэрозо- лем, истекающие из шлицев, перевивались около оси камеры друг с дру- гом, образуя колеблющийся жгут радиусом 20–25 мм (r 0,25–0,35). На наружном радиусе жгута концентрация силиконовых частичек была намного больше, чем на оси. Ось вращения жгута практически совпадала с осью камеры. В Ы В О Д Ы 1. В циклонных камерах большой относительной длины, как и в срав- нительно небольшой (близкой к единичной), общий уровень интенсивно- сти пульсаций скорости значительно превышает наблюдаемый в камерах аналогичного назначения с незакрученным теплоносителем. 2. Величина пульсаций компонент скорости слабо снижается по мере продвижения закрученного потока к выходному отверстию камеры. 3. В сечении ввода потока в камеру (в области формирования его за- крутки) распределения осредненных скоростей и среднеквадратичных пульсаций компонент вектора скорости имеют особый характер, отличный от других зон рабочего объема. 4. Радиальные распределения среднеквадратичных пульсаций танген- циальной и осевой компонент и относительных интенсивностей их пуль- саций имеют в основной части рабочего объема циклонной камеры (за ис- ключением зоны в окрестности входного сечения) единообразный каче- ственный характер – практически постоянное значение в квазипотенциаль- 56 ной зоне, возрастание в приосевой «квазитвердой» зоне и в пристеночной области течения. 5. В достаточно длинных циклонных камерах наблюдается приближен- ная автомодельность не только осредненных, но и пульсационных скоро- стей относительно критерия Рейнольдса в рассмотренном диапазоне его изменения (Reвх = 4,38∙10 4–27,32∙104). Л И Т Е Р А Т У Р А 1. У с т и м е н к о, Б. П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях / Б. П. Устименко. – Алма-Ата: Наука, 1977. – 231 с. 2. С а б у р о в, Э. Н. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагрева- тельных устройствах / Э. Н. Сабуров. – Л.: ЛГУ, 1982. – 240 с. 3. С а б у р о в, Э. Н. Аэродинамика циклонной камеры большой относительной длины / Э. Н. Сабуров, А. Н. Орехов // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объедине- ний СНГ). – 1995. – № 3–4. – С. 82–87. Представлена кафедрой теплотехники Поступила 15.05.2013 УДК 621.311.22 АНАЛИЗ ПРИВЛЕЧЕНИЯ ТЭЦ, РАБОТАЮЩЕЙ ПО ТЕПЛОВОМУ ГРАФИКУ, К ПРОХОЖДЕНИЮ ПРОВАЛОВ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ Кандидаты техн. наук, доценты НАЗАРОВ В. И., ТАРАСЕВИЧ Л. А., магистрант НАЗАРОВ П. В. Белорусский национальный технический университет Структура генерирующих мощностей объединенной энергетической системы (ОЭС) Республики Беларусь весьма неблагоприятна для суточного и недельного регулирования, особенно в отопительный период, так как до- ля ТЭЦ в этой структуре составляет 50 %. В результате в настоящее время имеют место трудности, особенно с прохождением ночных и недель- ных минимумов, что хорошо видно из графиков нагрузки, приведенных на рис. 1, 2. Здесь диапазон регулирования в рабочий день Nрег = 2000 МВт, а в выходной Nрег = 1600 МВт. Причем коэффициент неравномерности графика нагрузки Кн составляет: для рабочего дня – 1,5, а для выходных – 1,4 при уровне загрузки оборудования Ку соответственно 0,67 и 0,71. Необ- ходимо отметить, что базовая зона графика в отопительный период покры- вается за счет ТЭЦ, так как подавляющее большинство ТЭЦ принимает весьма ограниченное участие в регулировании мощности в ОЭС.