ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: EEERGETYKA z. 10?
________________1 9H9
ITr kol. 1041
Loch SZECÓWKA Henryk RADOIHAK
Politechnika Częstochowska
WPŁYW Z AB ORZ El? ZEWHĘTRZHYCK IJA DROGĘ lilESZAHIA SIĘ SUBSTRATÓW OAZOWYCH I KOHFIGURACJE STRUGI3^
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentów prze- prowadzonyoh na stanowisku doświadczalnym z zastosowaniem aparatu smugowego i rejestracji filmowej. Przedmiotem badań było wzajeranA oddziaływanie współbieżnych strug gazowych: powietrza i dwutlenku węgla. Zaburzeniom.o^charakterze pulsacyjnym poddawano strugę po
wietrza. Wyniki badań wykazały istotny v;płyv/ parametrów zaburze
nia _na drogę mieszania się i konfigurację strugi. Ha podstawie wy
ników badań zbudowano palnik gazowy o dużych walorach eksploatacyj
nych.
1. WPROWADZEUIE
Spalanie jest jednym z najczęściej wykorzystywanych w technice proce
sów cieplnych. Podstawowym zadaniem procesów spalania jest otrzymanie od
powiedniej ilości i jakości energii dla oelów technologioznych i grzew
czych. Stad potrzeba lepszego poznania i doskonalenia organizacji proce
sów spalania, pojmowanych jako funkcja rodzaju paliwa, wymaganej inten
sywności reakcji spalania, końcowej temperatury spalin oraz ioh przezna- azenia.
Konieczne jest ze względów ekonomicznych i technicznych podwyższanie parametrów istniejących urządzeń cieplnych, doskonalenie ich eksploatacji, podwyższanie trwałości i precyzji działania, a także budowa nowych wyso
ko sprawnych układów. Istnieje coraz silniejsza tendencja zwiększania jed
nostkowego obciążenia cieplnego urządzeń, projektowania odpowiedniej geo
metrii przestrzeni roboczej, w której przebiega proces, bezpośrednio zwią
zanej z rozkładem strug gorąoyoh gazów, koncentracji, temperatury i pręd
kości.
VI---
•'Praca w y k on a na w ramach CE BP n r 02.18, k i e r u n e k 2, zad. 2.1.3*9.
2. DOŚWIADCZENIA
2.1. Stanowisko doświadczalne
Badania drogi mieszania się strug gazowych przeprowadzono na stanowisku doświadczalnym przedstawionym na rys. 1.
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego
1 - aparat smugowy (tuby) IAB 451, 2 - dysze wylotowe, 3 - przewód gazo
wy, 4 - przewody powietrza, 5 - membrana rezonatora, 6 - rezonator, 7 - rotametr gazowy, 8 - zbiornik COo, 9 - rotametr powietrzny, 10 - wentyla
tor, 11 - kamera filmowa Pentaflex AK 16 Fig. 1. Diagram of a test stand
1 - IAB 451 streak apparatur (herns), 2 - outlet nozzles, 3 - gas pipe, 4 - air pipes, 5 - resonator membrane, 6 - resonator, 7 - gas rotameter, 8 - C02 container, 9 - air rotameter, 10 - fan, 11 - Pentaflex AK 16 film
camera
Wpływ zaburzeń zewnętrznych.... 63
Rys. 2. Idea doboru dysz gazowych Fig. 2. Idea of the selection of gaz nozzles
Zasadniczym elementem stanowiska jest aparat smugowy typu LAB 351 służący do wizualizacji strugi. Istota działania aparatu polega na wykorzystaniu różnic gęstości w przezroczystym ośrodku, przez który przechodzi równole
gła wiązka światła. Pomiędzy dwoma tubami aparatu smugowego umieszczono gazową dyszę wylotową. Kanałami zewnętrznymi doprowadzano do dyszy z re
zonatora powietrze, zaburzone, drganiami o określonej częstotliwości i am
plitudzie. Kanałem środkowym doprowadzano gaz modelujący (COg). Zastoso
wanie dwutlenku węgla spełnia warunek gradientu gęstości względem powie
trza (grad (O >0,07 kg/m^). Aby w pełni wykorzystać możliwości aparatu smugowego, dyszę wylotową ukształtowano w odmienny sposób, niż ma to miej
sce w rzeczywistych palnikach. Zamiast przewodów koncentrycznych wykonano dyszę składającą się z trzech przewodów o prostopadłościennym wylocie.
Stanowi to wycinek przekroju palnika.
. Zastosowanie dysz prostokątnych daje lepsze rozgraniczenie współbież
nych warstw strugi oraz lepszą ich przejrzystość. Przyjęty kształt wylotu umożliwia obserwację rozwoju warstw granicznych, decydujących o procesach zmiany turbulencji.
2.2. Warunki prowadzenia eksperymentu
Badania prowadzono przy różnych parametrach wypływowych strug i zabu
rzeniach. Wykonano serie pomiarowe dla liczby Reynoldsa gazu (COg) wyno
szącej R = 2000, 5000, 7500, 10000, 15000. Zaburzenia powietrza wywoły
wano rezonatorem. Wartość amplitudy drgań wynosiła A = 2,5? 5,0} 7,5 mm, a częstotliwość f = 15, 25, 30, 40, 75 Hz. Wypływem wzorcowym dla każdej serii był wypływ o ustalonej liczbie Reynoldsa i nie poddany zaburzeniom.
Stosunek strumienia objętościowego powietrza do strumienia dwutlenku węgla był stały i tak dobrany, aby odpowiadał stechiometrycznym warunkom spalania
(oC = 1) gazu koksowniczego w powietrzu.
S
Wobec dużej różnorodności eksperymentów dotyczących aerodynamiki strug przyjęto w celu łatwiejszego i bardziej przejrzystego porównania wartości względne parametrów charakteryzujących strugę:
Y~ względna długość drogi mieszania się strug gazowych, o
względny kąt rozprzestrzeniania się strugi, o
Q
w względny współczynnik intensywności turbulencji, o
Rys. 3* Schemat określania kąta rozwartości strugi
s - szerokość dyszy gazowej, x - odległość od wylotu z dyszy, 2b - szero
kość strugi
Fig. 3* Diagram of the stream divergence angle determination s - gas nozzle width, x - distance from the nozzle outlet, 2b - stream
width
Za długość drogi mieszania 1 uważano długość jasnego odcinka strugi (ry
sunek 3) od wylotu z dyszy do miejsca, w którym istnieje wyraźny kontrast między jasną (gęstą optycznie) strugą dwutlenku węgla a otaczającym powie- trzem.
Kąt rozwarcia strugi cc określano wg zależności (rys. 3):
cC = 2 arc tg --b^ -B ,
Wpływ zaburzeń zewnętrznych 65
zaś współczynnik intensywności turbulencji C ze wzoru:
5 - 0 iW^Tlżpl * dla wj - 2
c przyjmuje wartość c -
22
.3. WYNIKI I DYSKUSJA
Zastosowanie cieniowej techniki badawczej i rejestracja obrazów na taśmie filmowej pozwoliły na dokładna analizę zjawisk. Otrzymane z doświad
czeń wyniki stanowią podstawę do dokonania jakościowej oraz ilościowej analizy zjawiska rozprzestrzeniania się strugi we współbieżnym ośrodku, przy oddziaływaniu na strugę zewnętrznych, pulsacyjnych, harmonicznych zaburzeń.
Zastosowany symetryczny układ dysz pozwolił na dokładniejszą obserwację niż układ współśrodkowy.
Badana struga zachowuje się jak struga współbieżna. Jej początkowy od
cinek jest równoległy do kierunku wypływu. Natomiast jej granice zaczynają się rozszerzać w pewnej odległości od wylotu, szybko przechodząc w obszar o dużej jednorodności składników, dobrze wymieszanych.
Wykresy zmian drogi mieszania w funkcji częstotliwości mają podobny charakter przy różnych wartościach amplitudy (rys. 4). Opisano je funkcja
mi wykładniczymi o charakterze malejącym.
Widać, że ij- dąży do pewnej granicznej wartości dla danej intensyw- o
ności zaburzenia. Zauważono, że wzrost amplitudy powoduje skrócenie drogi mieszania dla stałej częstotliwości zaburzenia (rys. 4, 5).
L 10 t, 0.9
03 01
0.6
05
1 Re *2000
x
15 30 <5 60 75
fHl „
i } ° Loę 0.3 01 06 05 k
i i
R e‘ 10000
r r k »
I " * .
i
A *7.l
15 30 45 60 75
f.Hz
Rys. 4. Zależność drogi mieszania od częstotliwości zaburzenia Fig. 4. Dependence of the mixing path on the disturbance frequency
Rys. 5» Zależność drogi mieszania od amplitudy zaburzenia Fig. 5* Dependance of the mixing path on the disturbance amplitudę
Również częstotliwość zaburzenia wpływa na zmianę drogi mieszania.
Stwierdzono większy wpływ amplitudy niż częstotliwości na skrócenie drogi mieszania. Wynika to również z porównania równań regresji (tabl. 1). War
tości współczynników równań opisujących zależność i- = f(A) są prawie
° L
o jeden rząd większe od współczynników opisujących zależność i1- = f(f).
o
Charakter tych zależności wynika z faktu, że zmiany amplitudy dają większe zmiany energii zaburzenia w stosunku do energii kinetycznej strugi. Ampli
tuda wpływa na zwiększenie obszaru zaburzeń, częstotliwość zaś powoduje rozdrobnienie turbulizowanej strugi. W obydwu przypadkach większe zmiany T- następują dla wypływów o mniejszej energii (w warunkach doświadczenia
o
dla mniejszych R0).
Podobna prawidłowość wykazują zależności kąta rozwarcia strugi (rys. 6).
Dla wypływów niezaburzonych kąt rozwarcia nieznacznie się zmienia i jest typowy dla wypływów z dysz bez oderwania, tzn. mieści się w przedziale 8-12°. Turbulizacja zewnętrzna powoduje duży wzrost tego kąta.
Rys. 6. Zależność kąta rozwarcia strugi od częstotliwości zaburzenia Fig. 6. Dependence of the turbulence intensity coefficient on the distur
bance frequency
Zestawienierównańi współczynniki»-/aproksymacji
Wpływ zaburzeń zewnętrznych 67
cao
•H
rH,0 CO EH
O tJ- u o o o
T“ o CO c o T h LO
«H Pi O o o o o o
Pi «H o o o o o o
CD Pi
o o o o o o
• UD O CO o co c o +
Pi c o OJ LO tJ- T h LO
a C o O O o o a
0 O o O O o o t}- o r - LO t - O l
•* 3S A «. *> u T— c o CO o o t—
li o o O o o o a •> •> r> •> •» r.
1 0 v— x— x— \— T— T—
o l o
•H
• ri TO
T O O LiO o LO LO o LO
O 44 i___i 9. «* •» •* * M
G OJ LO r - O l LO t -
C o 3 < 4
3 T— c o c o c o t - OJ ch ^
Ch »'-> CU t - UD r— o Th OJ t -
UD CM CO CO c o c o CO '•O
vO O T h T h o o T— 0 •
ca • o - P 03
+3 CQ O O o o o o w h 0 o o
03 >» o i « o o
O ^ a ^ o o
Ph O l o
T—
LO C - T h o OJ tJ- OJ LO o c o c o
UD u o t*“ Ti- c o c o UD LO UD c o o c o
Pi O o O o o o tJ- o c*- OJ C O c o
O o o o o o Pi O o o o o o
O I
0 1
0 1
0 1
0 1
0 1
O 1
0 1
0 1
0 1
0 1
0 1
10 C O o o Ti- T h c— OJ o c o UDUD
t j- c o uD T“ U 0 CO UD c o c o X— O J L O
a x— LO UD r — x— c o O c o OJ c o L O t -
r — o r— o x - o Pm O o V— o o o
O 1
0 1
O 1
0 1
0 1
0 1
O 1
0 1
0 1
0 1
0 1
0 1
«H <*
Pi r n Pi 1---- 1
0 s © N
s W .
• 1__ 1 L O o L O L O o L O • 1---- 1
r, •s ws 9\ L O o L O L O o L O
& <4 O J L O 0 - O J t o h - a CH T“ o - t ' - r * T h c -
0 0
II ii
^ U °
•H •H
TO T O
O O
44 44
G G
a 0
ch ch ^
T h LO
'O '-O
0 • o 0 • o o
-ł-3 to 0 o o - P 0 0 o o
ra f>i X o o n h o o
O i i O J o o i O l o
P i w T—
o
Rys. 7> Zależność współczynnika intensywności turbulencji od częstotliwoś
ci zaburzenia
Fig. 7- Dependence of the turbulence intensity coefficient on tbe distur
bance frequency
'Yspółczynnik intensywności turbulencji strugi nawet dla wypływu bez zaburzeń jest nieco większy od podawanego w literaturze. Jest to spowodo
wane znacznym uderzeniem dynamicznym strug oraz warstwy otaczającego po- ' ' G
wietrzą. Podczas zaburzania strugi wartość •=- wzrasta proporcjonalnie do o
amplitudy i częstotliwości drgania (rys- 7). Doświadczalne wartości ukazu- /■t
ją bardziej skomplikowany przebieg zależności •g- = f(f) niż przyjęta funkcja liniowa. Mimo iż stosunek pędów strug jeSt stały,^ich bezwzględne wartości zmieniają się. Występujący stosunek prędkości = 2 jest wy-
s
soki, powodując silne oddziaływanie w kierunku zmniejszenia ekspansji stru gi CO,, szczególnie jej zewnętrznych krawędzi, tzw. warstwy zmieszania.
Na podstawie przeprowadzonych obserwacji można stwierdzić, że bardzo istotny jest dobór dla danego urządzenia częstotliwości i amplitudy zabu
rzenia, aby. intensywność zmieszania dawała jak największy efekt.
Zbudowany na podstawie powyższych zaleceń palnik pozwalał prowadzić spalanie w sposób kontrolowany z możliwością oddziaływania na długość i szerokość płomienia. Badania tego palnika są tematem oddzielnej pracy.
4* STY7IERDZEÎJIA KOŃCOWE I WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonyfch obserwacji, pomiarów i obliczeń, sformu
łowano następujące wnioski:
1. W miarę zwiększania intensywności zaburzenia droga mieszania sub
stratów ulega skróceniu.
2. Stwierdzono większ.y wpływ amplitudy niż częstotliwości zaburzenia na skrócenie drogi mieszania.
Y/pływ zaburzeń zewnętrznych. 69
3. Wraz ze wzrostem energii zaburzania wzrasta kąt rozwarcia strugi.
4. Współczynnik intensywności turbulencji strugi rośnie proporcjonal
nie do częstotliwości i amplitudy zaburzania.
5- Y/pływ zewnętrznych zaburzeń strugi maleje ze wzrostem liczby Rey
noldsa.
LITERATURA
Dl] Abramowicz G.U. s Prikładnaja gazowaja dinanika. Izd. Uauka, Moskwa 1963.
[]2] Abramowicz G.U.: Teorija turbulentnych struj. Izd. Uauka, Moskwa 1984.
[3] Abramowicz G.U.: Turbulentnoje smieszenije gazowych struj. Izd. Uauka, Moskwa 1974-
D4] Bobrowski D.: Probabilistyka w zastosowaniach technicznych. Y/UT, Y/ar- szawa 1980.
C G Duckworth R.A. s Mechanika płynów. WUT, Y/arszawa 1983- D6] Hobler T.i Ruch ciepła i wymienniki. WUT, Warszawa 1936.
D73 Instrukcja obsługi aparatu cieniowego IAB 451.
C8] Kozarski M., Szumak Z.: Uinikalkulatory w obliczeniach naukowych i technicznych. Y/UT, Warszawa 1980.
D9D Petela R.: Paliwa i ich spalanie. Y/yd. Pol. Śl., Gliwice 1982.
Diq1 Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie. Y/yd.
"śląslc", Katowice 1981.
Dl 1] Y/ójcicki S.: Spalanie. WUT, Y/arszawa 1969.
D12] Zieleniewski R., Kozakiewicz A.: Aparaty i urządzenia gazowe, Wyd.
Arkady, Warszawa 1981.
BJIHHHHE BHEmHHX BOSMyiTEHH/i HA IiyTb CMEMBAHHH rA 30BHX C/ECTPATOB H KOH$HryPAItHB CTPYH
P e 3 10 m e
B cTaibe npe^cTaBjieHH pe3yjiBTaTH OKcnepuMeHTOB npoBe^eHHHx na o i i b i t h o m
d eH^e c npHMeHeHHeM nojiocHoro annapara u ( J h u b m o b o M perncTpanHH. HcomeflO- BaJIHCb B 3 a H M H H 6 B 0 3JieHCTB H H CHHXpOHHhIX r a X O B H X CTpyii: B 0 3 , 2 i y x a H flByOKHCH yrjiepo^a, CTpya B03^yxa no^BeprajiacB nyjiBcaijHOHHHM b03,neiicT b h j i m . Pe3yjiBTaTH HCCJieflOBaHHH noKa3ajiH cymecTBeHHoe BJinaHHe napaMeTpoB 3 03MynjeHHH Ha rryTB cMemHBaHHH u k o h i | ) hrypaijmo cTpyn, I l o pesyjiBTaTaM h c c j i eposami i i nocTpoeHa
$opcyHKa c yjiynineHHHMH KanecTBeHHHMH c boScTBaMH«
ted to the pulsating disturbances. The test results have proved that dis
turbance parameters exert an influence on the mixing path and the stream configuration. On the basis of the test results, a gas burner of a high operating quality has been constructed.
