Диффузоры и их аэродинамика

Установка на выходе из дымовых труб диффузоров позволяет существенно снизить, а в некоторых случаях полностью ликвидировать избыточное давление газов в трубах и газоходах, фильтрацию газов через негазоплотную футеровку, уменьшить перепад полных давлений по газовому тракту и снизить расход энергии на транспортировку газов.

Все газоотводящие стволы с негазоплотными футеровками желательно выполнять с диффузорами на выходе. Это связано с тем, что в таких трубах разрежение в их верхней части настолько невелико, что происходит заметная диффузия паров и дымовых газов через футеровку, тем более если имеется избыточное давление. Диффузоры обеспечивают значительное разрежение именно вверху трубы, в результате чего диффузионные процессы замедляются.

Особенности аэродинамического расчета труб с диффузором заключаются в определении и учете коэффициента сопротивления диффузора.

При течении жидкости или газа по каналу с внезапным расширением поперечного сечения, что мы имеем на выходе из трубы, имеют место потери напора на удар, которые могут быть определены как:

,

где: ρ – плотность жидкости (газа), W₁, F₁ и W₂, F₂ – скорость и площадь сечения на входе и на выходе соответственно.

Максимальные потери получаются при выходе потока из канала в свободное пространство (в атмосферу), когда F₂=∞ (или W₂=0). В этом случае при скорости потока W потери на удар составят и коэффициент сопротивления с выходом будет ζ_УД = 1, что и принято в нормативном методе расчета.

Потери удара можно значительно уменьшить, если переход от узкого сечения к широкому осуществить плавно, с помощью диффузора (расширяющегося канала), поскольку при этом снижаются скорости потока при выходе в открытое пространство. Кроме того, из-за снижения скорости уменьшаются потери на трение. В результате снижается статическое давление в дымовых трубах, что позволяет существенно увеличить их нагрузку без появления избыточного давления (рис.2.3).

Рис. 3. Эпюры распределения статистического давления дымовых газов при различных режимах работы трубы без диффузора и при установке на ней диффузора. Температура газов +150 °С: а — при скорости газов 25-28 м/с; б — при скорости газов 29-32 м/с; в — при скорости газов 20 м/с: 1 — с диффузором; 2 — без диффузора

Все газоотводящие стволы с негазоплотными футеровками следует выполнять с диффузорами на выходе. Это связано с тем, что и при избыточном давлении в таких трубах разрежение в их верхней части настолько невелико, что происходит заметная диффузия паров и дымовых газов через футеровку. Диффузоры обеспечивают значительное разрежение именно вверху трубы в результате чего диффузионные процессы замедляются.

При установке диффузоров следует учитывать их коэффициенты сопротивления.

Коэффициент сопротивления собственно диффузора без учета потерь с выходной скоростью, определяют по формуле

ζ_д = 1 + h_ст / h_д – ε,

где h_ст и h_д — соответственно статистическое и динамическое давление во входном сечении диффузоров, Па; ε — квадрат отношения площадей входного и выходного диаметров диффузора, ε = (F₁/F₂)²

ζ_вых = h_п / h_д,

где h_п — полное давление во входном сечении диффузора, Па.

Исследования показали, что при наличии диффузора высота подъема дымового факела может быть меньше, чем при коническом или цилиндрическом стволе, вследствие ухудшения структуры потока на выходе. Но при отношении высоты диффузора к его входному диаметру L/D_l ≥ 1,2 подъем факелов от цилиндрического ствола и диффузора одинаков, так как течение происходит без отрыва потока факела.

Полный коэффициент сопротивления ζ_полн диффузора круглого сечения со свободным выходом в пространство слагается из сопротивления диффузора трению ζ_д и сопротивления с выходной скоростью ζ_вых

ζ_полн = ζ_д + ζ_вых

Изменение параметров диффузора по разному влияет на слагаемые этой формулы и может быть решена задача по минимизации этой суммы, то есть минимизации ζ_полн.

Из-за больших диаметров труб длину диффузоров приходится ограничивать по соображения конструктивного и монтажного характера. Требование минимальной длины особенно важно для диффузоров, устанавливаемых на существующих дымовых трубах, рассчитанных на определенную ветровую нагрузку, которая с появлением диффузоров увеличивается. Поэтому для дымовых труб характерно применение сравнительно коротких диффузоров с относительной длиной L /d ≤2, но ее снижение ведет к увеличению сопротивления диффузора (L - длина диффузора, d - диаметр его входного сечения).

Наиболее часто диффузоры для труб выполнялись из стали. Учитывая технологию изготовления и монтажа диффузоров, преимущество отдавалось простым диффузорам – коническим с прямолинейной образующей.

Применение стеклопластика позволяет пересмотреть подходы к проектированию диффузоров для дымовых труб, так как стеклопластик обеспечивает коррозионную стойкость и позволяет изготавливать более эффективные с точки зрения аэродинамики формы. Здесь, прежде всего, идет речь о диффузорах с криволинейной образующей. Диффузоры такого профиля широко используются в трубопроводных сетях и их применение при больших углах раскрытия дает существенное преимущество по сравнению с прямолинейной образующей. Было экспериментально показано, что весьма удачным с точки зрения уменьшения потерь при расширении потока является применение таких диффузоров, в которых соблюдалось бы постоянство градиента давлений (dp / dx =const) или скоростей (dW / dx =const) вдоль канала. Испытания в сети криволинейных диффузоров (dp / dx =const) показали, что в пределах углов расширения 25-900 уменьшение потерь в них по сравнению с прямолинейными доходит до 40 %. Учитывая общность физических явлений и закономерностей в аэродинамике диффузоров, можно предположить, что установка криволинейных диффузоров на выходе в свободное пространство даст результаты, подобные полученным на криволинейных диффузорах, за которыми установлены дополнительные участки трубопроводов.

Нормативный метод расчета не позволяет учесть форму образующей диффузора, в частности ее криволинейную форму.

Результаты расчетной оценки (с использованием вычислительного комплекса «FlowVision») полного коэффициента сопротивления диффузора на выходе из трубы при коротких диффузорах с прямолинейной и криволинейной образующей поверхности даны на рис. [ ]. Как видно из приведенных графиков, в диффузорах с криволинейной образующей при больших раскрытиях сопротивление меньше, чем с прямолинейной образующей и могут применяться гораздо большие по величине углы раскрытия и соответственно более короткие диффузоры. Преимущество криволинейных диффузоров именно в этой области.

Из анализа рис. 2 следует, что при одинаково малом сопротивлении (0,3) диффузор с криволинейной образующей в 2 раза короче диффузора с прямолинейной образующей, значит и площадь его будет примерно в 2 раза меньше. При этом надо иметь в виду, в первом случае мы имеем оболочку двоякой кривизны, устойчивость которой может быть обеспечена при меньшей толщине, чем у оболочки одинарной кривизны в случае диффузора с прямолинейной образующей. В итоге затраты материала на диффузор с криволинейной образующей будут по крайней мере в 2 раза ниже, чем на диффузор такого же сопротивления с прямолинейной образующей. Эти соображения справедливы для случая реконструкции дымовых труб, заключающейся в установке диффузора, то есть когда не ставится задача достижения определенной отметки устья трубы.

Для случая нового строительства эффект будет меньше, так как для достижения отметки устья добавляется прямой участок трубы с диаметром как на входе диффузора. По предварительным оценкам, снижение материалоемкости верхней части трубы за счет применения диффузора с криволинейной образующей, по сравнению с прямолинейной, составит в этом случае 20...30 %.

Рис. 2. Значения коэффициентов сопротивления ζ_полн диффузоров круглого сечения с прямолинейной и криволинейной образующей, установленных на выходе из трубы, в зависимости от угла раскрытия (α) и относительной длины (Lд/d)

Исследования показали, что при наличии диффузора высота подъема дымового факела может быть меньше, чем при коническом или цилиндрическом стволе, вследствие ухудшения структуры потока на выходе.

В ряде случаев вместо применения диффузора в целях исключения появления в дымовой трубе избыточного статического давления целесообразно ее верхнюю часть выполнять цилиндрической формы.

В тех случаях, когда исключить появление избыточного статического давления в дымовой трубе путем выбора оптимальной геометрии не представляется возможным, следует принимать конструктивные решения, нейтрализующие негативные последствия этого явления, например применение газоплотной футеровки или выполнение ствола трубы из газоплотного материала.

• Основы проектирования дымовых труб. Основные факторы и исходные данные для разработки проекта (Страница 1)
• Расчет высоты и выходного диаметра трубы. Расчет выходного диаметра и высоты трубы для обеспечения естественной тяги. Расчет высоты трубы при принудительной тяге (Страница 2)
• Основы аэродинамического расчета дымовых труб. Особенности внутренней аэродинамики (Страница 3)
• Диффузоры и их аэродинамика (Страница 4)
• Самоокутывание газоотводящих труб (Страница 5)
• Основы теплотехнического расчета (Страница 6)
• Основы силового расчета (Страница 7)
• Нагрузки и воздействия, реакция на них сооружения, особенности учета при расчете и проектировании. Нормативные и расчетные значения нагрузок (Страница 8)
• Особенности учета собственного веса. Температурные технологические воздействия (Страница 9)
• Ветровые нагрузки (Страница 10)
• Нормативные и расчетные значения прочностных и других характеристик материалов и грунтов. Проектирование ствола трубы (Страница 11)
• Проектирование и расчет оснований и фундаментов (Страница 12)

Подробную информацию про разработку проектной документации можно найти на странице о проектировании.