Элементом биогазовой установки является шнек, представляющий собой закручивающее устройство для подачи субстрата в реактор. В шнековых и ленточных завихрителях выход субстрата происходит в соответствии с законом вращения твердого тела. Из технологических соображений при геометрическом угле закрутки φ < 45° обычно используют ленточный завихритель, а при φ > 45° — шнек (рис. 4.8).
В общем случае геометрический угол закрутки на наружном диаметре d = 2R многозаходного шнека определяется выражением
Рис. 4.8. Шнек с прямоугольной (а) и трапецевидной (в) канавками, б — ленточный
для шнека с навивкой
Важной геометрической характеристикой ленточного завихрителя является его шаг S (рис. 4.8, б), который равен осевому размеру завихрителя при повороте закрученной ленты на 180°. Угол закрутки потока около поверхности трубы однозначно связан с относительным шагом (отношение шага S к диаметру трубы d):
(4.26)
Для канала, образованного стенкой трубы и скругленной лентой толщины δ, эквивалентный диаметр определяется по формуле
(4.27)
Шнековые и ленточные завихрители изготовляются с постоянным и переменным по длине углом закрутки. Переменный угол закрутки (от нуля на входе до заданного угла φ на выходе) обеспечивает «безударный» вход потока в завихритель. Некоторые вопросы проектирования и изготовления таких завихрителей рассмотрены в работах [63-67].
Закрученный поток в осесимметричных каналах относится к группе пространственных течений в поле центробежных массовых сил. Основная особенность закрученного потока — это соизмеримое соотношение осевой и тангенциальной составляющих скоростей при наличии поперечного (радиального) и продольного (осевого) градиентов давления.
Характеристикой при закрутке потока является угол закрутки между вектором суммарной скорости потока и осью канала, а также радиальный градиент статического давления. Значительные радиальные градиенты осевой и вращательной скорости, а также статического давления способствуют возникновению интенсивных турбулентных пульсаций. В области потока, расположенной в непосредственной близости от вогнутой стенки трубы, возникают вихри Тейлора—Гертлера, интенсифицирующие обменные процессы, а в турбулентной части потока существенно изменяются характеристики турбулентности.
Суть возникновения этих вихрей в следующем. При обтекании неограниченным потоком криволинейной стенки возникает нормальная к поверхности центробежная сила, которая увеличивается по мере удаления от поверхности и становится наибольшей на внешней границе пограничного слоя. При обтекании вогнутой поверхности направления массовой силы и градиента скалярного поля массовых сил grad |Г| будут противоположными. В этом случае в пограничном слое могут появиться микровихри с осями, параллельными поверхности, и с чередующимися направлениями вращения, т.е. вихри Тейлора—Гертлера (рис. 4.9).
Для характеристики интенсивности закрутки потока за завихрителем пользуются рядом параметров. Авторами работы [68] предложен параметр
Рис. 4.9. Вихри Тейлора—Гертлера в пограничном слое:
λ — длина отрывного пограничного слоя; U х — скорость течения за пределами пограничного слоя
По мнению автора работы [68], интенсивность закрутки потока за завихрителем целесообразно характеризовать входным параметром:
Исследования показывают, что закрутка потока уменьшает критическое число Re, соответствующее потере устойчивости ламинарного потока в трубе. При Re < 1800 потеря устойчивости появляется вследствие возникновения непериодических синусоидальных колебаний струек. При Re > 2500 неустойчивость появляется в виде ряда вихрей, возникающих с определенной частотой. Эти вихри быстро увеличиваются и приводят к образованию турбулентности.
Немаловажен вопрос, относящийся к гидравлическому сопротивлению шнека.
При течении потока через шнек возникают потери давления на входе и выходе из него, а также внутри самого шнека.
Входные потери давления возникают вследствие изменения направления движения потока. Эта составляющая может быть заметно уменьшена применением шнековых завихрителей переменного шага с нулевым углом закрутки на входе [63].
Выходные потери вызваны внезапным расширением площади поперечного сечения, изменением направления потока и перемешиванием дискретных струй, вытекающих из шнека.
Потери давления внутри шнека обусловлены неравномерностью поля скорости вследствие возникновения вторичных течений, а также трехмерным характером течения в канале шнека.
Суммарно все виды потерь определяют в виде коэффициента сопротивления
Сильно закрученные течения, в которых закрутка достаточно велика для образования центральной тороидальной рециркуляционной зоны, относятся ко второму, т.е. эллиптическому типу. Эллиптические уравнения для закрученного потока имеют следующий вид [72...74]
Напряжения, которые входят в уравнения (4.42) и (4.43), определяют по следующим соотношениям [72]
Для ламинарного потока все пульсационные составляющие в (4.44)-(4.46) равны нулю.
Рис. 4.10. Зависимость коэффициента подачи шнека от угла наклона образующих шнековой лопасти
