***** 1 - studpp.ru

ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный
технический университет»
Кафедра: «Технологические процессы, аппараты
и техносферная безопасность»
Моделирование вихревых труб
с использованием прикладного пакета
ANSYS
Автор:
Авдеев Александр Андреевич
Руководитель к.т.н., доцент кафедры «ТПАиТБ»
Орлов Андрей Юрьевич
Цель и задачи работы
1
Создание энергосберегающей технологии сушки
растворов для получения однородных сыпучих
материалов с учетом снижения расходов на природный
газ и электроэнергию.
Основные задачи
• определение возможности использования вихревых
труб (ВТ) в качестве энергосберегающего
оборудования;
• разработка инженерного газогидродинамического
метода расчета ВТ;
• математическое моделирование ВТ в пакете ANSYS
для расчета технологических и конструктивных
параметров вихревых труб;
• разработка рекомендаций по использованию ВТ в
химической, нефтехимической и пищевой
промышленности.
Применение вихревых труб
2
1) технология машиностроения, станкостроение,
промышленная электроника
2) горячие и вредные производства: воздушные завесы в
рабочих зонах покрасочных камер, кузнечных цехов,
гальванических и металлургических производств; глубокие
шахты: вентиляция тупиковых забоев;
3) хранение сельхозпродукции: охлаждение и сушка зерна и
дисперсных продуктов во временных хранилищах;
4) производство листовых материалов: раздув холодным
потоком полиэтиленовой пленки, охлаждение листовой резины;
производство стекла;
5) портативные транспортные холодильники, охладители
питьевой воды и мн. др.
Вывод базового уравнения
сопротивления ВТ
3
Исходными уравнениями для гидравлических
расчётов являются уравнения Навье-Стокса, из
которых следуют и уравнение Бернулли, и
уравнение Дарси-Вейсбаха.
dw
dz dp    w 2
 w
   g
  
dx
dx dx D
2
(1)
Данное уравнение представляет собой баланс 4-х
видов сил по принципу Даламбера, действующих на
единицу объёма движущейся среды («силовой»
баланс)
I (инерционные) = G (массовые) + P (давления) + F
(вязкостного трения)
(2)
4
Основной подход
Переписав уравнение Навье-Стокса для падения
давления
и
убрав
из
правой
части
пьезометрический
напор
получим
базовое
уравнение для интегрирования
2
  dx   w
 dp    w  dw 

D
2
(1)
Преобразовав уравнение, получим:
2

G
 R T    L
2
2
pн  pк 
 
 2  ln 

F2
 D
pн
pк

  (2)


5
Расчетная схема ВТ
Горячий винтовой поток
pin
psw out=
phot in
Ghot
pvalve=
phot out
pout
porif
Gcold
Холодный винтовой поток
pcold in=
pvalve
Расчетная схема ВТ состоит из 5-ти участков:
1) завихритель
2) «горячий» винтовой поток
3) выход «горячего» потока через дроссель
4) «холодный» винтовой поток
5) выход «холодного» потока через диафрагму
pout
6
Основные расчетные уравнения
Базовое уравнение для каждого из 5-ти участков
2

p in i 
G
2
2
i  R  Ti   i  Li

p in i  p out i 

  i  2  ln
 Di

p
out
i
Fi2


(1)
Соответственно,
уравнения
для
расчета
гидравлического сопротивления каждого участка :
Для завихрителя: (2)
2
Gin
 R  Tin
2
2
pin  psw out 
2
Fnoz
,

pin
   sw  2  ln

psw out





Для горячего участка ВТ: (3)
2
 L screw hot
p hot in 

G
hot  R  Thot  screw hot
2
2

p hot in  p hot out 

 2  ln


2
D
p
hot
jet
hot
out
Fhot


jet
Основные расчетные уравнения 7
Для дросселя: (1)
2
G
p

hot  R  Thot 
2
2
p valv  p out 
   valv  2  ln valv 
2
p out 
Fact

valv
Для холодного потока: (2)
2
Gcold
 R  Tcold
2
2
pcold in  porif 
2
Fcold
jet
  screw cold  Lscrew cold
pcold in 



 2  ln

Dcold jet
porif 

Для диафрагмы: (3)
2
p cold orif
G
cold  R  Tcold 
2
2
p cold orif  p out 
  or  2  ln

2
p out
Fact or





Моделирование потоков в ANSYS
8
Коммерциализация проекта
9
Затраты на энергоносители:
Пар (собственный) – 1200 руб/Гкал.
Электроэнергия – 4,47 руб/кВт*час.
Вода артезианская – 14,15 руб/ м3.
Вода оборотная – 2,8 руб/ м3.
Стоки на закачку – около 30 руб/ м3.
Газ природный – 5,1 руб/нм3.
Лед (условн.) – 375 руб/ т.
Сжатый воздух – 0,73 руб/нм3.
Азот – 5,2 руб/нм3.
Затраты на промышленное оборудование:
кожухотрубный конденсатор-влагоотделитель - 1 700 тыс. руб.;
тепловой насос в комплекте - 1 000 тыс. руб.
вихревая труба в комплекте - 750 тыс. руб..
Этапы реализации проекта
1
этап
2
этап
10
Приобретение оборудования: лабораторная вихревая труба – 60
тыс.руб., лабораторный теплообменник – 150 тыс.руб., струйный
насос – 50 тыс.руб, трубопроводная обвязка – 40 тыс.руб, средства
КИП – 60 тыс.руб.
Лабораторные исследования по изучению гидродинамических
характеристик вихревых труб
Разработка модели гидродинамики потоков в вихревых трубах,
позволяющей определять сопротивления вихревой трубы и ее
элементов, общее сопротивление, расходы и потребляемую мощность
с учетом размеров ВТ и анализировать роль и качество конструкции
элементов трубы с использованием программного комплекса ANSYS
Разработка технологических схем с использованием вихревых труб и
рекомендаций для промышленной реализации проекта
Промышленная апробация предложенных технических решений (на
производственной площадке ОАО «Пигмент»)