авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |

«А.Ю. АНДРЮШКИН ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ СВЕРХЗВУКОВЫМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РАСПЫЛЕНИЕМ Министерство образования и науки Российской Федерации ...»

-- [ Страница 5 ] --

Критическое число Рейнольдса Reпк.кр, определяет переход от лами нарного течения к турбулентному, для сферической капли в газовом по токе Reпк.кр=2300. Зависимость (3.173) используют для определения Weпк.кр низковязких жидкостей.

Для капли вязкой жидкости, прошедшей через скачок уплотнения, при определении Weпк.кр используют выражение (при Lpпк0,1) [132]:

Weпк.кр =10·(1+1,5·Lpпк-0,37). (3.174) На характер разрушения непосредственно влияет вид приложенной нагрузки. Если при статической деформации критические числа Вебера порядка Weпк.кр=7…15, то при внезапно приложенной нагрузке, Weпк.кр=4…7. Кроме того, при статическом протекании деформации харак тер разрушения и формы разрушающейся капли существенно зависят от того, происходит ли это явление при уменьшающихся или увеличиваю щихся относительных скоростях. В работе [185] показано, что в первом случае число Weпк.кр в среднем на 40% меньше, чем во втором. Также мож но указать критические значения критерия В1пк.кр=0,1…0,4 и критерия Anпк.кр=0,5…1,0.

3.25. Режимы деформации капель В зависимости от состава и свойств жидкости (композиции) объек том воздействия при распылении могут быть три типа капель:

1. капли, обладающие свойствами низковязких жидкостей;

2. капли, обладающие свойствами вязких жидкостей;

3. капли с порошковым наполнителем.

Возможны следующие режимы деформации капель низковязкой жидкости, например, воды (табл. 3.1). Представленная классификация режимов деформации капель была предложена Волынским [91-96], опре деляющим критерием было взято число Weпк. Эта классификация допол нена критериями B1пк и Anпк [97, 109-111, 117, 123-125, 129, 132, 157, 163, 164, 185, 198, 199].

Т а б л и ц а 3. Режимы деформации капли № Режим дефор- Критерий Вебера Критерий Обобщающий п/п мации капли Weпк В1пк критерий Аnпк Докритический режим дефор 1 WeпкWeпк.кр=10,0 B1пкВ1пк.кр=0,24 AnпкAnпк.кр=0, мации капли Критический режим дефор 2 Weпк=Weпк.кр=10,0 B1пк=В1пк.кр=0,24 Anпк=Anпк.кр=0, мации капли Режим ближней закритической 3 10,0Weпк20,0 0,24B1пк0,4 0,6Anпк1, деформации капли Первый режим закритической 4 20,0Weпк35,0 0,4B1пк0,62 1,0Anпк1, деформации капли Второй режим закритической 5 35,0Weпк70,0 0,62B1пк1,05 1,53Anпк2, деформации капли Первый режим дальней закри 6 70,0Weпк1000,0 1,05B1пк7,68 2,57Anпк18, тической де формации капли Второй режим дальней закри 7 Weпк1000,0 B1пк7,68 Anпк18, тической де формации капли 1. Докритический режим деформации капли – режим устойчивых колебаний WeпкWeпк.кр=10,0;

B1пкВ1пк.кр=0,24;

AnпкAnпк.кр=0,6. Первич ная капля пульсирует в полете, принимая форму от шарообразной до сплюснутого эллипсоида, при этом распада капли не происходит (рис. 3.55) WeпкWeпк.кр=10;

B1пкB1пк.кр=0,24;

AnпкAnпк.кр=0,6;

U пк dпк Uг Рис. 3.55. Докритический режим деформации капли 2. Критический режим деформации капли. Режим деформации до стигает критического значения Weпк=Weпк.кр=10,0;

B1пк=В1пк.кр=0,24;

Anпк=Anпк.кр=0,6, происходит дробление первичной капли на две или три вторичные капли (рис. 3.56).

Weпк=Weпк.кр=10;

В1пк=В1пк.кр=0,24;

Anпк=Anпк.кр=0,6;

dвк U пк dпк Uг Рис. 3.56. Критический режим деформации капли 3. Режим ближней закритической деформации капли 10,0Weпк20,0;

0,24B1пк0,4;

0,6Anпк1,0 (рис. 3.57). Распад первич ной капли происходит следующим образом, сначала образуется кольцо с пленкой, которая выдувается в пузырь, при достижении критических напряжений пленка прорывается и кольцо распадается на множество мелких вторичных капель.

10,0Weпк20,0;

0,24В1пк0,4;

0,6Anпк1,0;

а) Пузырь Пленка U пк dпк Uг dвк 10,0Weпк15,0;

в) 15,0Weпк20,0;

б) 0,24В1пк0,33;

0,33В1пк0,4;

0,6Anпк0,8;

0,8Anпк1,0;

Рис. 3.57. Режим ближней закритической деформации капли: а – схема распада капли;

б – длинноволновые колебания;

в – коротковолновые колебания При значениях критериев 10,0Weпк15,0;

0,24B1пк0,33;

0,6Anпк0,8 на кольце развиваются длинноволновые колебания (рис.

3.57, б). При значении числа 15,0Weпк20,0;

0,33B1пк0,4;

0,8Anпк1, происходит переход к коротковолновым колебаниям кольца (рис. 3.57, в).

С уменьшением длины волны колебаний наблюдается уменьшение диа метра вторичных капель.

4. Первый режим закритической деформации капли 20,0Weпк35,0;

0,4B1пк0,62;

1,0Anпк1,53 (рис. 3.58). При распаде первичной капли наблюдается образование тонкого диска и пленки, направленной навстречу газовому потоку. На поверхности пленки и диска развиваются коротковолновые колебания, которые приводят к распаду капли и обра зованию множества вторичных капель.

20,0Weпк35,0;

0,4В1пк0,62;

1,0Anпк1,53;

dвк U пк dпк Uг Рис. 3.58. Первый режим закритической деформации капли 5. Второй режим закритической деформации капли 35,0Weпк70,0;

0,62B1пк1,05;

1,53Anпк2,57 (рис. 3.59). При распаде капли наблюда ется образование купола «парашюта» и встречной центральной струйки.

Капля распадается под действием коротковолновых колебаний. Наблю дается начало «сдира» - срыв мелких частиц с поверхности капли.

35,0Weпк70,0;

0,62В1пк1,05;

1,53Anпк2,57;

U пк dпк Uг Рис. 3.59. Второй режим закритической деформации капли 6. Первый режим дальней закритической деформации капли 70,0Weпк1000,0;

1,05B1пк7,68;

2,57Anпк18,9 (рис. 3.60). Капля представляет собой «линзу», с поверхности которой происходит интен сивный отрыв мелких частиц. При этом происходит постепенное умень шение капли, так называемое «обтаивание», то есть наблюдается интен сивный «сдир».

7. Второй режим дальней закритической деформации капли Weпк1000,0;

B1пк7,68;

Anпк18,9 (рис. 3.61). Распад капли происходит мгновенно и носит взрывной характер.

70,0Weпк1000,0;

1,05В1пк7,68;

2,57Anпк18,9;

U пк dпк Uг Рис. 3.60. Первый режим дальней закритической деформации капли Weпк1000,0;

В1пк7,68;

Anпк18,9;

U пк dпк Uг Рис. 3.61. Второй режим дальней закритической деформации капли Представленные выше диапазоны критериев Weпк, В1пк, Anпк харак терны для низковязких жидкостей, с увеличением вязкости жидкости критические значения критериев будут расти, соответственно изменятся значения диапазонов соответствующих режимов деформации капли.

3.26. Дробление капель ньтоновской жидкости при прохождении скачка уплотнения В зависимости от относительной скорости капли и газового потока возможны различные режимы дробления капли жидкости при ее прохож дении через скачок уплотнения.

Режим дробления I. При значениях критериев Weпк35,0;

B1пк0,62;

Anпк1,53 капли жидкости не успевают разогнаться до высоких скоро стей несущего их газового потока, поэтому скорость встречи капли со скачком уплотнения существенно ниже скорости несущего ее потока.

Встречая наветренную поверхность скачка уплотнения, капля начинает внедряться в него (рис. 3.62). Испытывая упругое сопротивление со сто роны скачка уплотнения, капля деформируется под действием инерцион ных сил собственной массы и подгоняющего ее потока газа, принимая форму сплюснутого эллипсоида. Растекающаяся в перпендикулярном к вектору удара направлении капля теряет скорость поступательного дви жения. Наседающая масса еще несдеформировавшейся части капли про должает двигаться поступательно с прежней скоростью, вызывая центро бежное течение капли и продавливая лобовую часть капли через газоди намическую преграду. На выходе из скачка уплотнения центральная часть сдеформированной капли оказывается первой, и, попадая в разре женную среду за скачком уплотнения, ускоряется по отношению к обод ковой массе капли, двигающейся еще в уплотненной среде. В результате этого кривизна тыльной поверхности капли меняет знак своей кривизны.

Прорвавшаяся сквозь скачок уплотнения капля приобретает форму пузы ря с отверстием в тыльной части (серповидного поперечного сечения).

Weпк35,0;

В1пк0,62;

Anпк1,53;

Пленка Пузырь U пк dпк Uг Тыльная часть Лобовая часть Рис. 3.62. Схема прохождения капли через скачок уплотнения при Weпк35,0;

B1пк0,62;

Anпк1,53 (Режим дробления I) При относительно большом перепаде скоростей несущего потока га за и пузыря происходит наддув последнего до сравнительно больших размеров. При этом пузырь вытягивается в направлении вектора скоро сти, а его поперечный размер остается постоянным. Наиболее высокий перепад давления имеет место на лобовой части пузыря. Пузырь имеет каплеобразную форму с утолщением пленки к тыльному отверстию.

Дробление пленки начинается с лобовой части пузыря, здесь пленка наиболее тонкая. Процесс распада пузыря носит взрывной характер с образованием облака мелких капель (до 70% массы исходной капли). Бо лее толстая пленка в тыльной части пузыря после его разрушения стяги вается в тор, который дробится на более крупные капли.

Режим дробления II. При значениях критериев 35,0Weпк70,0;

0,62B1пк1,05;

1,53Anпк2,57. Внедрение капли в скачок уплотнения и образование пленочного пузыря происходит по механизму, соответству ющему режиму дробления I. Однако, из-за более высокой скорости капли к моменту ее выхода из скачка уплотнения тыльная часть капли не успе вает полностью перетечь в пленку, при этом образуется пузырь с «нож кой», расположенной на оси пузыря и прикрепленной к его лобовой ча сти изнутри. За скачком уплотнения перепад внутреннего и внешнего давления на стенке пузыря растет, он увеличивается в диаметре, пленка утоняется. Жидкость из ножки перетекает в увеличивающуюся в разме рах головную часть пузыря. Разрыв боковой поверхности пузыря насту пает еще до момента исчезновения «ножки». В итоге образуется облако мелких капель дробления (около 70% от общей массы) и облако более крупных капель, имеющих диаметры, в 2...3 раза больше. Крупные капли образуются при дроблении лобовой и тыльной частей пузыря, имеющих большую толщину пленки (рис. 3.63).

35,0Weпк70,0;

0,62В1пк1,05;

1,53Anпк2,57;

Пленка Пузырь Uпк dпк Uг "Ножка" Тыльная часть Лобовая часть Рис. 3.63. Схема прохождения капли через скачок уплотнения при 35,0Weпк70,0;

0,62B1пк1,05;

1,53Anпк2,57 (Режим дробления II) Режим дробления III. При значениях критериев 70,0Weпк1000,0;

1,05B1пк7,68;

2,57Anпк18,9 капли разгоняются до скоростей, при ко торых их внедрение и прохождение через скачок уплотнения не вызывает значительных изменений формы капли. Капля выходит из скачка уплот нения в форме приплюснутого диска (рис. 3.64).

За скачком уплотнения поток газа обтекает каплю и сдувает с ее пе риферии в зоне миделевого сечения пленку. Пленка флотирует и затем распадается на мелкие капельки. Тыльная часть капли после выхода из скачка уплотнения продолжает наседать на заторможенную в скачке ло бовую часть, выдавливая жидкость на периферию капли, выдуваемую в пленку. Процесс продолжается до тех пор, пока энергия инерционного сжатия не будет поглощена вязким сопротивлением сердцевины капли.

Оставшаяся нераздробленной масса капли коагулируется, стремясь к сферической форме.

70,0Weпк1000,0;

1,05В1пк7,68;

2,57Anпк18,9;

Uпк dпк Uг Пленка Рис. 3.64. Схема прохождения капли через скачок уплотнения при 70,0Weпк1000,0;

1,05B1пк7,68;

2,57Anпк18,9 (Режим дробления III) Режим дробления IV. При значениях критериев Weпк1000,0;

B1пк7,68;

Anпк18,9 капля до встречи со скачком уплотнения успевает разогнаться до очень высоких скоростей. Она внедряется и проходит ска чок уплотнения, не деформируясь (или почти не изменив сферическую форму). Удар по лобовой части капли настолько силен, что, выйдя из скачка уплотнения, она начинает пульсировать с частотой собственных колебаний, изменяя свою форму от сферической до сплюснутого диска, с очень высокой частотой и обратно через сферическую форму до коконо образной. При этом с боковой поверхности пульсирующей капли срыва ются очень мелкие капельки. Дробление капли проходит по схеме «эро зии». При этом доминирует «эрозия» низкомолекулярных компонентов композиции, в частности, растворителей, пенообразователей (рис. 3.65).

Пульсирующая капля через незначительный промежуток времени после выхода из скачка уплотнения «взрывается», образуя лучеобразные цен тробежные потоки мелких капель.

Weпк1000,0;

В1пк7,68;

Anпк18,9;

Uпк dпк Uг Рис. 3.65. Схема прохождения капли через скачок уплотнения при Weпк1000,0;

B1пк7,68;

Anпк18,9 (Режим дробления IV) 3.27. Дробление капель неньютоновской (структурно-вязкой) жидкости при прохождении скачка уплотнения Характер дробления капель неньютоновских жидкостей в целом аналогичен дроблению капель ньютоновских жидкостей, но в этом слу чае присутствует специфика, определяемая надмолекулярной структурой полимерного компонента, образующего каплю [288].

Как и в случае ньютоновской жидкости при режиме дробления I, бу дет иметь место разрыв наддутой пленки лобовой части пузыря с образо ванием облака капелек растворителя и других слабовязких компонентов жидкости. Однако, сложные надмолекулярные образования полимерных макромолекул при этом, разрушаясь и распушаясь, образуют паутино видные фрагменты, которые в дальнейшем теребятся и раздираются гра диентными течениями газа. Полимерные фрагменты распавшейся капли коагулируются в энергетически более устойчивые капельные образова ния сферической или близкой к ней формы (рис. 3.62). При режиме дроб ления II механизмы распада капли аналогичны (рис. 3.63).

В условиях распада вязко-структурированных капель при режиме дробления III влияние макромолекулярных образований на процесс дробления велико. Благодаря большой длине, гибкости цепных молеку лярных образований полимерного компонента при высоких скоростях и динамических воздействиях жидкость приобретает свойство вытяжки в тонкие пленки и волокна фибриллярной структуры. В высокоскоростных градиентных течениях газа, омывающих каплю, с ее поверхности стяги вается тонкая пленка значительной длины. Флотируя, пленка выбрасыва ет в поток мелкие капельки низкомолекулярных составляющих (раство рителя, пенообразователя), а затем дробится макромолекулярная сетка полимерной составляющей капли с образованием автономных фрагмен тов, уносимых потоком газа (рис. 3.64).

При реализации режима дробления IV имеется специфика распада капель структурно-вязких жидкостей. Значительная вязкость полимер ных высокомолекулярных образований и их отличные аутогезионные свойства обусловливают апериодический медленно протекающий про цесс изменения формы капли. Капля продолжительное время сохраняет дискообразную приплюснутую форму, при которой надмолекулярная структура капли уплотнена, то есть макромолекулярные образования сближены, а низкомолекулярные прослойки растворителя и других ком понентов оттеснены в поверхностный слой капли. Они образуют на по верхности капли тонкие пленки из отжатых низкомолекулярных компо нентов. Эти пленочные, струйные и капельные образования уносятся с периферии потоком газа, а по межмолекулярным капиллярам структуры капли низкомолекулярные компоненты под действием капиллярных сил и эжекции вытягиваются на место унесенных скоростным потоком капе лек. При выходе капли из скачка уплотнения ее распад носит взрывной характер (рис. 3.65).

3.28. Дробление капель с включениями твердых частиц На процесс дробления капель с твердыми включениями оказывает значительное влияние размер частиц порошка. Все промышленные по рошки полидисперсны, то есть размеры одних частиц могут значительно отличаются от размеров других. Обычно размеры частиц промышленных порошков находятся в пределах 5...350 мкм. Таким образом, размеры первичных капель, содержащие частицы порошка, могут находиться в пределах 10...1000 мкм.

Если размеры частиц порошка незначительно различаются, то про цесс дробления капель может происходить в режиме дробления I или II (рис. 3.66, а). В этом случае образуется пленочный пузырь с достаточно толстой стенкой из-за наличия частиц порошка в ней. При наддуве пузы ря после выхода из скачка уплотнения стенка утоняется, а затем разруша ется. В результате дробления пленки с твердыми включениями форми руются капли первого и второго рода.

Если размеры частиц порошка, входящего в распыляемую компози цию, значительно различаются, имеются частицы значительно крупнее остальных, то эти крупные частицы являются ядром капли, которое при дает ей очень высокую устойчивость. Дробление таких капель может происходить в режиме дробления III или IV (рис. 3.66, б), то есть поток газа срывает с поверхности твердого ядра жидкие фрагменты или жидкие фрагменты с твердыми включениями малых размеров.

а) Uпк dпк Uг б) Uпк dпк Uг Рис. 3.66. Схемы дробления капель с твердыми включениями в сверхзвуковом газодинамическом потоке: а – режим дробления I или II;

б – режим дробления III или IV Капли с твердым ядром имеют динамически устойчивую форму и структуру, благодаря прочно связанной с ядром силами адгезии поли мерной оболочке, в которой распределены и сольватно связаны включе ния низкомолекулярных жидких компонентов, в частности, растворителя.

При такой сложной и устойчивой структуре капель процессы их дробле ния существенно осложнены, поэтому эффективное диспергирование таких композиций возможно только в сверхзвуковом потоке газа.

В момент преодоления скачков уплотнения жидкостная оболочка капли сдвигается в сторону тыльной части капли, существенно утоняясь в лобовой части. На выходе из скачка уплотнения поток газа подхватыва ет кольцевое утолщение на тыльной части капли – жидкую пленку, раз ворачивает ее и срывает в противоположном направлении, то есть в сто рону по потоку. Сначала из кромки пленки выносятся сольватно связан ные жидкости, затем вытягиваются молекулярные образования полимер ных компонентов, которые превращаются в тонкие волокна. Когда же полимерным компонентом жидкой оболочки является смола, силы адге зии к твердому ядру очень высоки, а вытягиваемость раствора практиче ски отсутствует. В этом случае срыв с поверхности ядра полимерной со ставляющей нереален, и механизм дробления носит чисто эрозионный характер уноса сольватно связанных с молекулами смолы низкомолеку лярных жидкостей.

Подводя итог анализу механизмов дробления капель жидких компо зиций, отметим, что в процессе газодинамического воздействия сверх звукового потока образуются капли, размером 10-4…10-7м. При таком тонком распылении имеет место разложение композиции на составляю щие ее компоненты. При высокой степени дисперсности вторичные кап ли могут иметь химический состав отличный от химического состава первичных капель, то есть может иметь место не только изменение раз меров и числа капель, но и их химического состава (разложение компо зиции на составляющие ее компоненты).

3.29. Определение размера вторичных капель Основным выходным параметром ГОС является средний диаметр капель, образующихся при распылении. От среднего диаметра капель зависит качество напыляемого покрытия, однородность формируемой смеси, качество пропитки арматуры, а, следовательно, и качество всего изделия.

Для определения среднего диаметра капель, образующихся при рас пылении жидкости, пользуются приближенными и эмпирическими фор мулами. При сверхзвуковом газодинамическом распылении возможны два случая дробления первичной капли.

1. Первичная капля распадается на вторичные капли в сверхзвуко вом потоке газа.

2. Первичная капля распадается на вторичные капли при прохожде нии через скачок уплотнения.

В первом случае средний диаметр вторичных капель dвк (м) можно определить по формуле [132]:

24 1 Lpпк,36. (3.175) d вк г U г U пк Для расчета среднего диаметра вторичных капель, образовавшихся в сверхзвуковом потоке газа, автором предложено выражение:

d вк d пк k13 exp k14Anпк, (3.176) где k13, k14 – эмпирические коэффициенты.

Во втором случае определяющим фактором, влияющим на размеры вторичных капель, является интенсивность скачка уплотнения [239, 240]:

p 2 ск 1 2 2 M1ск sin 2 ск 1, (3.177) J cк p1ск 1 1 где Jск – интенсивность скачка уплотнения;

р1ск – давление перед скачком уплотнения, Па;

р2ск – давление после скачка уплотнения, Па;

М1ск – чис ло Маха перед скачком уплотнения;

ск – угол между скачком уплотне ния и направлением потока, рад.

Число Маха за скачком М2ск вычисляют по формуле [131, 132]:

0, М1ск М1ск cos ск 1, (3.178) М 2ск 2 2 1 М1ск sin 2 ск 1 М1ск sin 2 ск 1 где М2ск – число Маха за скачком уплотнения.

Для расчета среднего диаметра вторичных капель, образовавшихся при прохождении скачка уплотнения, автором предложено выражение:

exp k14Anпк. (3.179) d вк d пк k J ск Сравним размеры вторичных капель, вычисленных по выражениям (3.175), (3.176), (3.179) для низковязкой (вода) и вязкой (связующее) жидкости. Исходные данные для расчета:

– диаметр первичной капли dпк=0,001м;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=350…700м/с;

– скорость первичной капли, движущейся по потоку Uпк=50м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас;

– динамическая вязкость вязкой жидкости (связующего) ж=0,050Пас.

Распад первичной капли низковязкой жидкости (воды). Расчет раз меров вторичных капель низковязкой жидкости (воды) проведем по вы ражениям (3.175), (3.176) и (3.179) (рис. 3.67). В первом случае, когда первичная капля разрушается в сверхзвуковом потоке газа, в выражении (3.176) значения эмпирических коэффициентов: k13=0,05;

k14=0,04:

d вк d пк 0,05 exp 0,04 Anпк. (3.180) Во втором случае, когда первичная капля проходит через скачок уплотнения, диаметр вторичных капель по выражению (3.179) при тех же эмпирических коэффициентах, что и в формуле (3.176) k13=0,05;

k14=0,04:

exp 0,04 Anпк. (3.181) d вк d пк 0, J ск dвк, мкм Uг, м/с 350 400 450 500 550 600 Рис. 3.67. Зависимость диаметра вторичной капли dвк низковязкой жидкости (воды) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.175);

2 – расчет по выражению (3.180);

3 – расчет по выражению (3.181) Результаты расчета среднего диаметра вторичных капель низковяз кой жидкости по выражению (3.175) и (3.180) близки, что говорит о пра вильности предложенной зависимости (3.176). Учет интенсивности скач ка уплотнения в выражении (3.179) приводит к уменьшению размеров вторичных капель. При незначительной интенсивности скачка уплотне ния Jск1 значения диаметра вторичных капель, вычисленных по выра жениям (3.181), близки к значениям, вычисленным по выражениям (3.175) и (3.180).

Распад первичной капли вязкой жидкости (связующего). Расчет среднего диаметра вторичных капель вязкой жидкости (связующего) проведем по выражениям (3.175), (3.180), (3.181). Значения эмпирических коэффициентов оставим прежними: k13=0,05;

k14=0,04 (рис. 3.68).

Результаты расчета по выражению (3.175) и (3.180) различаются, так как в выражении (3.175) эмпирические коэффициенты получены для низ ковязкой жидкости. Изменив эмпирические коэффициенты для вязкой жидкости, можно преобразовать выражение (3.175) к выражению:

50 1 Lpпк,36. (3.182) d вк г U г U пк dвк, мкм Uг, м/с 350 400 450 500 550 600 Рис. 3.68. Зависимость диаметра вторичной капли dвк вязкой жидкости (связую щего) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.175);

2 – рас чет по выражению (3.180);

3 – расчет по выражению (3.181);

4 – расчет по выра жению (3.182) Полученные значения среднего диаметра вторичных капель по вы ражению (3.182) при высоких скоростях газа отличаются от значений, вычисленных по выражению (3.180), и близки к значениям, рассчитан ным по выражению (3.181).

Анализ графиков (рис. 3.67) и (рис. 3.68), сравнение с данными дру гих работ показывает, что выражения (3.176) и (3.179) применимы для расчета диаметра вторичных капель, сформировавшихся при распаде первичной капли низковязкой и вязкой жидкости в сверхзвуковом потоке газа и при прохождении через скачок уплотнения.

3.30. Время индукции и распада капли При проектировании оборудования для прикладных расчетов важны характерные времена дробления капель. Дробление капли происходит не мгновенно, а за время распада tрк(с) после начала воздействия на каплю газового потока, также процесс дробления капли характеризуется време нем индукции tин(с), то есть временем от начала деформирования и коле бания капли в потоке газа, до начала процесса распада капли на части. За характерное время распада (дробления) капли tрк* (с) обычно принимает ся время [66]:

0, d пк ж. (3.183) t рк U г U пк г Время дробления tрк* характеризует скорость роста амплитуды воз мущения на поверхности капли вследствие развития неустойчивости Рэ лея–Тейлора. Безразмерные времена tин/tрк* и tрк/tрк* должны зависеть от определяющих критериев (3.154-3.163) и режимов дробления.

В литературе [66, 91-95, 109-111, 198, 199] приводятся различные выражения для расчета времени индукции tин и распада капель tрк, кото рые часто отличающиеся друг от друга. Для маловязких (Lpпк1) жид костей используют следующие выражения:

t рк ;

t рк 45 Weпк, 25, t ин (3.184) - 3, t рк t рк t ин 1,5 lgWeпк 0, 25.

5 lg Weпк 0,1, (3.185) t рк t рк Выражение (3.184) получено на основе экспериментальных данных о дроблении капель в ударных волнах (М=3…11), выражение (3.185) реко мендуется для расчета tин и tрк при числах Вебера 10Weпк104.

Для вязких жидкостей применимы следующие выражения [199]:

t ин 2,6 11,5 -0, lgWeпк 0,25, Lpпк (3.186) t рк t рк 6 11,2Lp-0,37 lgWeпк 0, 25.

пк t рк Ряд экспериментальных данных по времени задержки начала распы ла хорошо описывается формулой при Weпк1000 [199]:

tин/tрк*=0,5. (3.187) Аналогичная формула применима для описания некоторых опытных данных по времени разрушения капель в ударных волнах [199]:

tрк/tрк*=1,5…5,0. (3.188) Иногда данные по времени индукции и разрушения представляют в виде зависимостей от числа Бонда Вопк [199]:

t рк t ин 130 Вопк, 25, 44 Вопк, 25. (3.189) t рк t рк При вибрационном механизме разрушения (капля пульсирует в по токе газа) в ударной волне рекомендуют формулу [199]:

0, ж, (3.190) t ин t рк 1 ск, 0,25 6, ск ж d пк ж d 3 2 t рк t рк t рк пк где ск – период собственных колебаний капли, с.

При сопоставлении экспериментальных данных по времени распада капли tрк следует иметь в виду, что понятия о времени полного разрушения капли у разных авторов различны. Дробление происходит тогда, когда время воздействия потока на каплю больше характерного времени индукции tин.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный мате риал по дроблению капель в газовых потоках, однако обработан и осмыс лен он недостаточно. Поэтому использовать приведенные здесь эмпири ческие формулы следует с осторожностью.

Для расчета времени индукции tин и времени распада tрк капли авто ром предложены выражения:

t ин t рк* k15 Аnпк 16, t рк t рк* k17 Аnпк 16, (3.191) k k где k15, k16;

k17 – эмпирические коэффициенты.

Определение времени индукции и распада капли. Сравним время индукции tин и время распада tрк капли, вычисленные по выражениям (3.185), (3.186) и (3.191). Исходные данные для расчета:

– диаметр первичной капли dпк=0,001м;

– относительная скорость газа и капли изменяется в диапазоне Uг=350…700м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– для низковязкой (воды) и вязкой (связующего) жидкости примем поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас;

– динамическая вязкость вязкой жидкости (связующего) ж=0,050Пас.

Распад капли низковязкой жидкости (воды). Время индукции tин и время распада tрк капли вычислим по выражениям (3.185) и (3.191) (рис. 3.69). Для рассматриваемого случая в выражении (3.191) значения эмпирических коэффициентов: k15=2,5;

k16=0,05, k17=6,0:

t ин t рк* 2,5 Аnпк t рк t рк* 6,0 Аnпк 0, 05, 0, 05. (3.192) Для низковязкой жидкости (воды) результаты расчета по выражени ям (3.185) и (3.192) незначительно различаются, так как в выражении (3.185) вязкость жидкости не учитывается.

tрк;

tин, мкс 350 400 450 500 550 600 650 Uг, м/с Рис. 3.69. Зависимость времени индукции tин и времени распада tрк капли низко вязкой жидкости от скорости газа Uг: 1, 3 – расчет времени индукции tин и време ни распада tрк по выражениям (3.185);

2, 4 – расчет времени индукции tин и време ни распада tр по выражениям (3.192) Распад капли вязкой жидкости (связующего). Время индукции tин и время распада tрк капли вычислим по выражениям (3.186) и (3.191) (рис. 3.70), в обоих выражениях учтена вязкость жидкости. Для капли вязкой жидкости результаты расчета по выражениям (3.186) и (3.192) близки.

tрк;

tин, мкс 400 200 350 400 450 500 550 600 650 Uг, м/с Рис. 3.70. Зависимость времени индукции tин и времени распада tрк капли вязкой жидкости от скорости газа Uг: 1, 3 – расчет времени индукции tин и времени рас пада tрк по выражениям (3.186);

2, 4 – расчет времени индукции tин и времени распада tрк по выражениям (3.192) Анализ графиков показывает, что выражения (3.191) с соответству ющими эмпирическими коэффициентами k15, k16;

k17 применимы для рас чета времени индукции tин и времени распада tрк капли низковязкой и вязкой жидкости.

3.31. Тепло - и массообмен между каплями и газом Тепло- и массоперенос в факеле распыления осуществляется на по верхности капель. При этом переносимое тепло (масса) из газового пото ка (или из капли) вследствие конвективной диффузии подводится к по граничному слою, окружающему каплю, а оттуда переносится внутрь капли (или в поток газа). Особенность капельной структуры газожид костного потока проявляется в процессе каплеобразования при истечении струи жидкости из распылителя и при дроблении капель, а также во внутрикапельной циркуляции жидкости.

Развитие циркуляции жидкости внутри капли способствует увеличе нию коэффициентов тепло- и массоотдачи в жидкой фазе. Циркуляция усиливается с увеличением диаметра капли. Вместе с тем с уменьшением размера капель увеличивается их удельная поверхность. Очевидно, дол жен существовать критический размер частиц, при котором тепло- и мас соотдача внутри капель минимальны. Значение критического диаметра капли зависит от физических свойств жидкости и относительной скоро сти капель. Если в процессе движения относительная скорость газа и ка пель будет, например, уменьшаться, то капли из области большого диа метра могут перейти в область малого диаметра и развитая вначале цир куляция затухнет.

Осуществляемый в распылительных аппаратах тепло- и массообмен может быть применен в различных технологических процессах, протека ющих с изменением фазового состояния: конденсация пара;

испаритель ное охлаждение нагретых жидкостей (например, оборотной воды) при контакте с охлаждающим газом;

охлаждение высокотемпературных газов (закалка) при испарении распыленной в них жидкости;

испарение крио генных жидкостей;

абсорбция хорошо растворимых газов (например, аммиака) и десорбция труднорастворимых газов (например, диоксида углерода и кислорода);

хемосорбция;

пылеулавливание;

распылительная сушка [55, 56, 59, 70, 76, 95].

Далее приведены уравнения, полученные различными авторами на основе экспериментов с одиночными каплями, ансамблем капель и с рас пылительными аппаратами (табл. 3.2, 3.3) [132, 134,160, 171-174, 203-205, 239, 242]. Для расчета коэффициентов массопередачи можно рекомендо вать уравнение Фреслинга (уравнение 3 в табл. 3.2), как эксперименталь но проверенное в более широком диапазоне изменения определяющих критериев, а для расчета коэффициента теплопередачи – уравнение Дрейка (уравнение 11 в табл. 3.3).

Т а б л и ц а 3. Уравнения передачи массы № Диапазон измене Уравнение Автор п/п ния критериев Sc=1…104;

Штейнберг и Sh 2 0,347 Re0,8 Sc0, Re=10…104 Трейбал Sh 2 0,45 Re 0,5 Sc 0,33 Sc=1;

2 Кинард Re=(1…16)· 0,0048 Re 0,5 Sc 0, Sc=0,6…4102;

Sh 2 0,552 Re0,5 Sc0, 3 Фреслинг Re=(1…7) Sc=1;

Sh 2 0,57 Re 0,5 Sc 0, 4 Кинцер и Ган Re=(1…2,5)· Манинг и Sh 2 0,6 Re 0,5 Sc 0, 5 Re=1… Гаувин Т а б л и ц а 3. Уравнения передачи тепла № Диапазон измене Уравнение Автор п/п ния критериев Ранц и Nu 2 0,6 Re 0,5 Pr 0,33 Re=0… Маршалл Re=0,7…2· Nu 0,16 Re 0, 2 Соколовский Nu 2 0,65 Re 0,5 Pr 0, 3 Кадаки 0, Nu 1,09 Re 4 Re= (0,5…25)·10 Борисенко 0,5 0, Nu 0,714 Re 5 Re200 Джонстон Pr Re= (0,15…30)· 0, Nu 0,62 Re Ляховский Nu 0,54 Re 0, 7 Re=(0,2…3)·10 Вырубов 0,54 0,31 0, Nu 2 0,028 Re 8 Re=5…10 Кацнельсон Re 0, Nu 0,33 Re 9 Re= (0,02…15)·10 Эккерт 0,6 Nu 0,37 Re 10 Re=17…7·10 Мак-Адамс 0,5 0, Nu 2 0,459 Re 11 Re=5…5·10 Дрейк Pr Расчет температуры поверхности капли. При слабой внутрика пельной циркуляции, а также при больших числах Re температура на поверхности капли Тпк может значительно отличаться от средних значе ний.

Из уравнения равенства теплового потока, направленного к поверх ности капли, и теплового потока от поверхности к ее центру следует [83]:

г T г T пк Nu L ти Dп рп тр Sh 2 ж T пк T цк, (3.193) где ж – коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(мК);

Lти – удельная теплота испарения (конденсации), Дж/кг;

рп – реальная плот ность пара кг/м3;

тр – плотность пара, соответствующая точке росы при температуре газового потока кг/м3;

Dп – коэффициент диффузии пара в газе м2/с;

Тпк – температура поверхности капли, К;

Тцк – температура жидкости в центре капли, К.

Из уравнения (3.193) можно найти температуру на поверхности капли Тпк:

г Nu T г 2 ж T цк L ти Dп рп тр Sh. (3.194) T пк г Nu 2 ж Реальная плотность пара рп в соответствии с уравнением состояния газа [83]:

f T рп ж ж цк, (3.195) fп Tг где ж – плотность жидкости, кг/м3;

fп – площадь паровой фазы, м2;

fж – площадь жидкой фазы, м2.

3.32. Способы сверхзвукового газодинамического метода распыления Базовые способы СГМР. Диспергирование вязких жидкостей за труднено, поэтому для получения капель высокой дисперсности в узел распыления необходимо вводить конструктивно-технологические эле менты, повышающие его эффективность.

Рассмотрим способы СГМР подгрупп с внутренним и с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости, выделим в этих подгруппах по четыре базовых способа СГМР (рис. 3.71). Новые способы СГМР по лучим, добавляя элементы, повышающие эффективность диспергирова ния, к базовым способам [32, 207-223].

Элементы для разделения потока жидкости на отдельные струи и/или пленки. Наиболее простой путь повышения дисперсности капель это введение в конструкцию узла распыления элементов для разделения потока жидкости на отдельные струи и/или пленки. Каждая отдельная струя и/или пленка, вытекающая из узла распыления, распадается на капли (рис. 3.72), форма струи и/или пленки определяется каналами в элементе для разделения. Сюда же можно отнести узлы распыления, в которых в качестве элемента для разделения потока жидкости установлен пористый вкладыш. Пористые вкладыши получают методами порошковой металлур гии из гранул различного фракционного состава (0,5…0,1мм).

Элементы для столкновения струй и/или пленок потока жидко сти. Для повышения дисперсности капель в конструкции узла распыле ния может быть предусмотрен элемент для соударения отдельных струй и/или пленок потока жидкости (рис. 3.73). Соударяющиеся струи и/или пленки разбивают друг друга на весьма мелкие капли.

Отражающие элементы (отражатели или обтекатели). Для полу чения высокодисперсных капель применяют отражающие элементы (от ражатели, обтекатели) различных конфигураций и конструкций. Струя и/или пленка, попадая на отражающий элемент, либо разбивается на кап ли, которые затем отскакивают от него, либо растекается по его поверх ности в виде пленки. Достигнув края отражающего элемента, пленка с него срывается потоком газа в виде капель (рис. 3.74).

Элементы, закручивающие поток жидкости вокруг оси узла рас пыления. Элементы для закручивания (тангенциальные отверстия, шне ки (винтовые завихрители), спиральные (эвольвентные) завихрители) потока жидкости вокруг оси узла распыления (рис. 3.75). Вращающаяся жидкость движется вдоль стенки канала в виде тонкой пленки, а в центре потока образуется воздушный вихрь. При истечении из узла распыления пленка распадается на мелкие капли.

Вращающиеся элементы, распределяющие поток жидкости в по токе газа. В качестве вращающихся элементов узлов распыления приме няют дисковые, чашечные, конусные, звездочные элементы, на которые подают поток жидкости. Под действием центробежных сил жидкость течет по вращающемуся элементу и срывается с него в виде капель, ко торые подхватываются потоком газа (рис. 3.76).

Элементы, повышающие температуру потока жидкости. В ряде случаев интенсивность диспергирования технологических смесей (рас творов, суспензий) возрастает при повышении их температуры. Для этого в конструкцию узла распыления вводят нагревательный элемент. При повышении температуры вязкость жидкости обычно уменьшается. В не которых случаях жидкость доводят до кипения, то есть происходит обра зование пара. Истечение парожидкостного потока также способствует получению капель высокой дисперсности.

Элементы, генерирующие акустические колебания в потоке га за. Узлы распыления, в состав которых входят генерирующие акустиче ские колебания элементы, различаются между собой типом генератора колебаний: со струйным излучателем Гартмана;

со статическим генера тором;

с динамическим генератором;

с вихревым генератором.

а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г Рис. 3.71. Базовые способы СГМР: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодей ствием потоков газа и жидкости;

а, а1 –одна струя газа взаимодействует с одной струей жидкости;

б, б1 – несколько струй газа взаимодействуют с одной струей жидкости;

в, в1 – одна струя газа взаимодействует с несколькими струями жидкости;

г, г1 – несколько струй газа взаимодействуют с несколькими струями жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж1 Ж Г 1Г Г Г Рис. 3.72. Способы СГМР с элементом для разделения потока жидкости на струи и/или пленки:

а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – элемент для разделения потока а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж1 Ж Г 1Г Г Г Рис. 3.73. Способы СГМР с элементом для соударения струй и/или пленок потока жидкости:

а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости: Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – элемент для соударения струй а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 Рис. 3.74. Способы СГМР с отражающим элементом: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – отражающий элемент а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж1 Ж1 Ж Ж Г Г Г Г 1 Рис. 3.75. Способы СГМР с элементом для завихрения потока жидкости: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – элемент для завихрения потока а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 Рис. 3.76. Способы СГМР с вращающимся элементом: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – вращающийся элемент Перспективны узлы распыления со струйным излучателем Гартмана.

Они характеризуются высокой интенсивностью акустических колебаний, простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Особенность излучателей Гартмана – генерация колебаний при встрече прямоструйно го потока газа с преградой, выполненной чаще всего в виде одной или нескольких резонансных полостей, обращенных открытым входом навстречу потоку. Акустическое поле создается излучателем Гартмана путем преобразования постоянного давления газа в переменное звуковое давление. Энергия высокочастотных колебаний подводится к жидкости со стороны газа (рис. 3.77).

Узлы распыления со статическим генератором (статическая сире на) имеют низкий коэффициент полезного действия около 10%. Статиче ский генератор акустических колебаний представляет собой тороидаль ную полость. Струя газа подается под высоким давлением в тороидаль ную полость. Ударяясь об острый край полости, струя отклоняется по круговой траектории внутри полости, закручивается в ней, и подается в основной поток газа. Выходящий из тороидальной полости газовый по ток пересекает основной поток, проходящий вблизи нее, и прерывает его, вызывая пульсации в основном потоке.

Узлы распыления с динамическим генератором (динамическая сире на) имеют коэффициент полезного действия 30…40%, позволяют полу чать большие акустические мощности, однако они имеют сложную конструкцию и большие габариты. Принцип действия их основан на ме ханическом прерывании потока газа. Чаще всего каналы подачи газа в факел распыления периодически перекрываются, в результате происхо дит прерывание потока газа, и соответственно возникают импульсы давления.

В узлах распыления с вихревым генератором акустические колеба ния возникают в результате пульсации образующегося на оси генератора вихря, давление в котором меньше атмосферного. Поскольку генератор соединен с атмосферой, происходит выравнивание давлений благодаря подводу из окружающей среды газа, скорость которого под действи ем вращающегося потока жидкости увеличивается до скорости погра ничного слоя, образуемого ядром вихря. Давление в центре вихря уменьшается до некоторой отрицательной величины, и цикл повторя ется. В вихревых генераторах создаются акустические колебания небольшой интенсивности, их коэффициент полезного действия не превышает 3%.

Элементы, генерирующие ультразвуковые колебания в потоке жидкости. При ультразвуковом диспергировании увеличение поверх ностной энергии струи или пленки достигается путем наложения на нее акустических колебаний ультразвуковой частоты. В узле распыления ис точником колебаний являются магнитострикционные или пьезоэлектри ческие генераторы. Жидкость подают либо непосредственно на излуча ющую поверхность генератора, либо на промежуточный элемент и она превращается в поток капель (рис. 3.78).

Магнитострикционный эффект заключается в следующем. В пере менное магнитное поле помещают закрепленный посредине стержень (или пакет стержней) из магнитострикционного материала (никель, его сплавы с алюминием и с железом, ферриты), которые под действием поля изменяют свои геометрические размеры в оба полупериода измене ния магнитного поля. Одному периоду магнитного поля будут соответ ствовать два периодических изменения длины стержня, то есть частота колебаний стержня будет больше в два раза частоты переменного магнит ного поля.

Пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. К граням пьезоэлектрической пластины приложено переменное электрическое напряжение высокой частоты, при этом пластина совершает механиче ские колебания с ультразвуковой частотой в соответствии с изменением приложенного электрического поля. В среде, соприкасающейся с пласти ной, также распространяются ультразвуковые волны. Наибольший эф фект достигается при совпадении частоты изменения электрического по ля с собственной частотой колебаний пьезоэлемента, то есть в момент резо нанса.

Элементы, создающие пульсации в потоке жидкости. Дисперги рование жидкости обусловлено потерей устойчивости течения в струях и пленках вследствие образования на их поверхности неустойчивых волн.

Поэтому наложение пульсаций на поток жидкости приводит к увеличе нию поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и бо лее тонкому диспергированию.

Сущность пульсационного диспергирования состоит в том, что воз никающие при истечении струи или пленки возмущения усиливаются в результате искусственно создаваемых пульсаций. При этом возможны два пути наложения пульсаций на поток жидкости. В первом случае со здают пульсации расхода жидкости за счет периодического перекрыва ния каналов ее подачи. Во втором случае создают колебания давления перед узлом распыления с помощью пульсатора (рис. 3.79).

Электризация потока жидкости. При электризации потока жидко сти (подводом потенциала к штуцеру узла распыления, электростатиче ской индукцией, коронным разрядом) струя и/или пленка жидкости находится в электрическом поле. Под действием этого поля на поверхно сти струи и/или пленки происходит некоторое распределение давлений, деформирующее пленку и вызывающее потерю ее устойчивости, распад и образование капель. Образующиеся капли приобретают электричес кий заряд. При этом увеличивается электронапряженность поля или потенциал капель, уменьшается их собственное внутреннее давление, а соответственно и поверхностное натяжение. С уменьшением внутрен него давления капель увеличивается эффективность воздействия аэроди намических сил, так как уменьшается сопротивление капли разрушению (рис. 3.80).

Насыщение потока жидкости газом. Сущность насыщения потока жидкости газом заключается в том, что для увеличения поверхностной энергии в жидкость перед ее истечением (в магистрали или в узле распы ления) вводится либо инертный, либо активный (если этого требует тех нологический процесс) газ. Пузырьки газа, распределяясь в жидкости, вызывают значительное увеличение поверхностной энергии, то есть «разрывают» жидкость еще до истечения и во многих случаях приводят к снижению ее эффективной вязкости. Кроме того, газовые пузырьки сжимаются до давления жидкости в магистрали, и газ частично раство ряется в жидкости (в количестве, соответствующем равновесному при данном давлении жидкости). При истечении из узла распыления давление газа в пузырьках практически мгновенно сбрасывается до давления окружающей среды (давления в аппарате), и пузырьки резко расширяются («взрываются»). Растворенный в жидкости газ начи нает десорбироваться (давление падает, и равновесие смещается в сто рону десорбции), и при определенных условиях жидкость как бы вски пает. Весь этот комплекс явлений приводит к довольно эффектив ному дроблению вытекающей из узла распыления жидкости (рис. 3.81).

Элементы, воздействующие на факел распыления. Применение элементов, воздействующих на факел распыления, позволяет изменять параметры процесса диспергирования в желаемом направлении. Такие элементы представляют собой насадки с каналами различной конфи гурации, которые распределяют давление по длине факела распыле ния, накладывают на него акустические колебания (рис. 3.82). Также на пути факела распыления могут быть установлены решетки, сетки, диафрагмы, перегородки с отверстиями, которые способствуют турбули зации потока.

а) г) б) в) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) г1) б1) в1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 Рис. 3.77. Способы СГМР с элементами, генерирующими акустические колебания: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – генератор акустических колебаний а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Г1 Г Ж Ж Ж Ж Г Г Рис. 3.78. Способы СГМР с элементами, генерирующими ультразвуковые колебания: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – генератор ультразвуковых колебаний б) а) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 б1) а1) в1) г1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 Рис. 3.79. Способы СГМР с элементами, создающими пульсации в потоке жидкости: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – источник пульсаций а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г а1) б1) в1) г1) Г Г Г Г Ж Ж Ж Ж Рис. 3.80. Способы СГМР с электризацией потока жидкости: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ Ж Ж Г Г Ж Ж Г Г в) г) а) б) Г Г Г Г 1 1 1 б1) а1) в1) г1) Ж Г Ж Ж Ж ГГ ГГ Г Г Г 1 1 Рис. 3.81. Способы СГМР с насыщением жидкости газом: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – канал подачи газа в жидкость а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 а1) б1) в1) г1) Ж Ж Ж Ж Г Г Г Г 1 1 1 Рис. 3.82. Способы СГМР с элементами, воздействующими на факел распыления: а-г – с внутренним взаимодействием потоков газа и жидкости;

а1-г1 – с внешним взаимодействием потоков газа и жидкости;

Ж – жидкость;

Г – газ;

1 – насадок 3.33. Определение размера капель, полученных различными способами газодинамического метода распыления Основываясь, на приведенных выше закономерностях и моделях, можно выделить основные параметры, определяющие дисперсность ка пель распыла:

d к f (U г ;

U ж ;

;

;

;

;

;

d кг ;

d кж ;

Q ;

Q ). (3.196) г г ж ж ж г В соответствии с предложенными способами СГМР далее приводятся формулы для расчета диаметра капель, образующихся при распылении.


3.33.1. Узлы распыления с элементами, разделяющими поток жидкости на отдельные струи и/или пленки Поток газа взаимодействует с потоком жидкости, при этом в узле распыления может быть установлен элемент, разделяющий поток жидко сти на отдельные струи и/или пленки [207-209, 212, 217].

Б.Д. Кацнельсон и В.А. Шваб обобщили опытный материал зависи мостью [83]:

г U г U ж d c U U ж d c k, (3.197) Wec k18 г г где г – кинематическая вязкость газа, м2/с;

Uг-Uж – относительная ско рость газа и жидкости;

k18, k19 – эмпирические коэффициенты, зависящие от конструкции узла распыления, k18=0,7…2,5.

Распылению подвергались водные растворы глицерина различной концентрации, керосин и бензин [83]. Параметры изменялись в пределах:

отношение расходов воздуха и жидкости Qг/Qж=0,25…3,15, скорость воз духа в выходном сечении Uг=43…121м/с, скорость жидкости в выходном сечении Uж=0,5…4,4м/с, давление воздуха перед соплом узла распыления ро=0,01…0,1МПа, плотность жидкости ж=745…1250кг/м3, коэффициент динамической вязкости жидкости ж=(0,0675…54,5)·10-3Пас, поверхност ное натяжение =(2,39…7,18)·10-2Н/м. В зависимости от вязкости жидко сти получены следующие выражения для определения диаметра капель.

При (ж2)/(ж··dc)0,005:

dк (3.198) k18 Wec 0, 45.

dc При 0,005(ж2)/(ж··dc)0,5:

0, dк Wec 0, 45. (3.199) k18 1,24 ж d c dc ж При (ж )/(ж··dc)0,5:

0, dк d c Wec k18 0,94 0, 45. (3.200) ж dc ж Зависимости среднего диаметра капель от коэффициента вязкости (рис. 3.83) и коэффициента поверхностного натяжения (рис. 3.84) при разных скоростях газа рассчитаны по формулам (3.198), (3.199), (3.200).

dк, мкм Uг=50 м/с Uг=100 м/с Uг=150 м/с ж, мПас 0,1 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 3.83. Зависимость среднего диаметра капель dк от поверхностного натяжения жидкости при различных скоростях газового потока Uг dк, мкм U г=50 м/с U г=100 м/с U г=150 м/с 0, мН/м 10 20 30 40 50 60 Рис. 3.84. Зависимость среднего диаметра капель dк от поверхностного натяжения жидкости при различных скоростях газового потока Uг В формулах (3.198), (3.199), (3.200) не учитывается влияние на рас пыление соотношения расходов жидкости и газа, хотя многие исследова тели заметили, что этот факт имеет существенное влияние. В результате обработки опытного материала в работах [83, 132] приводится формула для определения зависимости среднего диаметра капель, образовавшихся в высокоскоростном потоке газа:

0, ж 102 1, 1000Q ж.(3.201) 597 dк 103 103 Q ж Uг г ж Автором предложена формула для расчета среднего диаметра ка пель, образующихся в результате распыления жидкости, учитывающая ее вязкость и объемный расход жидкости и газа.

Q d к d кж k 20 An c k ж, (3.202) Q г где k20, k21 – эмпирические коэффициенты.

Рассмотрим различные способы СГМР, сравним результаты, полу ченные другими исследователями с результатами расчета по выражению (3.202). Заметим, что в формуле (3.202) влияние вязкости газа не учиты вается.

Г ащ Ж dкж dщ Рис. 3.85. Компоновка узла распыления со сверхзвуковым щелевым соплом:

Г – газ;

Ж – жидкость Сравним размеры капель, вычисленных по выражению (3.201) и (3.202) для низковязкой (вода) и вязкой (связующее) жидкости, истекаю щей из цилиндрического канала, охваченного сверхзвуковым щелевым соплом подачи газа (рис. 3.85). Исходные данные для расчета:

– диаметр канала подачи жидкости dкж=0,002м;

– ширина щели сопла подачи газа ащ=0,001м;

– диаметр щелевого сопла подачи газа dщ=0,005м;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=350…700м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас;

– динамическая вязкость вязкой жидкости (связующего) ж=0,050Пас.

Расчет размеров капель низковязкой жидкости (воды) проведем по выражениям (3.201), (3.202) (рис. 3.86). В выражении (3.202) значения эмпирических коэффициентов: k20=500,0;

k21=0,7:

Q d к d кж 500,0 An c 0, ж. (3.203) Q г dк, мкм Uг, м/с 350 400 450 500 550 600 Рис. 3.86. Зависимость среднего диаметра капель dк низковязкой жидкости (воды) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.201);

2 – расчет по выражению (3.203) Также проведем расчет размеров капель вязкой жидкости (связую щего) по выражениям (3.201) и (3.203) (рис. 3.87).

Результаты расчета среднего диаметра капель низковязкой (воды) и вязкой (связующего) жидкости по выражениям (3.201) и (3.203) близки, что говорит о правильности предложенной зависимости (3.202).

dк, мкм Uг, м/с 350 400 450 500 550 600 Рис. 3.87. Зависимость среднего диаметра капель dк вязкой жидкости (связующе го) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.201);

2 – расчет по выражению (3.203) В работе [83] изучалось распыление жидкой серы воздухом при тем пературе 150°С. При скорости воздуха, меньшей скорости звука, средний диаметр dк (мкм) по Заутеру определялся по формуле:

1,5 G G, (3.204) d 336 0, G где Gж – массовый расход серы, кг/час;

Gг – массовый расход газа, кг/час.

При сверхзвуковых скоростях воздуха зависимость среднего диа метра капель dк (мкм) от расхода воздуха усиливалась и выражалась формулой:

1,5 G G. (3.205) d 8100 1, G Для определения медианного диаметра образующихся при распыле нии капель исследователи предлагают следующие выражения.

Для определения медианного диаметра капель [66]:

0,15 0,15 1 52,4Lpc г G г.

d к.мед d c 0,224 Wec (3.206) 0, ж Gж При (Lpc)-10,5 можно использовать выражение [66]:

, 0,77 1,24Lpc d к.мед d c Wec 0, 0, 45 (3.207) при (Lpc)-10,5:

.

0,77 0,94Lpc d к.мед d c Wec 0, 0, 45 (3.208) Также можно использовать выражение:

0, 27 0, G k 220,27 Lpc Wec0,27 г 0, 27,(3.209) г 0, d к.мед d c 28,2 Gж ж где k22 – эмпирический коэффициент.

При истечении сплошной цилиндрической струи жидкости k22=1, при истечении жидкости в виде кольцевой пленки k22=110-3.

Оценить медианный диаметр капель при дроблении струи жидкости сверхзвуковым газовым потоком можно с помощью формулы [66]:

0, 25 0, d к.мед d c 45 M0, 25 Lpc 0, г г ж ж 0, 1 U ж Wec 0,525 (3.210) Uг Щелевой канал подачи жидкости. При вытекании жидкости из ще левого канала образуется веерообразная пленка плоская с двух сторон.

Под действием потока газа, имеющего незначительную скорость, распад пленки происходит по двум причинам (рис. 3.88) [300, 301].

1. На пленке возникают отверстия (перфорации), которые увеличи ваются до появления сетки, состоящей из тонких нитей. Эти нити распа даются и образуют цепочки мелких капель (рис. 3.88, а, б).

2. Под прямым углом к направлению потока жидкости образуются не устойчивые волны. Амплитуда этих волн нарастает и приводит к распаду пленки на ряд параллельных нитей, которые дробятся на капли (рис. 3.88, в).

а) б) в) Uж Uг Uг Uг Uж Uж Рис. 3.88. Распад пленки жидкости, истекающей из щелевого канала, при увеличении скорости газа Оценить величину медианного диаметра капель при распаде пленки, истекающей из щелевого канала можно по формуле [66]:

0, 0,5 F кж d к.мед 1,4 k 23 k 0, Lpc lg 0,833, (3.211) 2 0,5 0,5 ж U г U ж k 23 Lpc 0, или по формуле [66]:

0, ж U г U ж 2k 230, d к.мед 2,41 10 k 23, (3.212) 0, где k23 – эмпирический параметр, зависящей от отношения ширины щелевого канала к его длине, k23=(4…13)102 мм2.

3.33.2. Узлы распыления с элементами, сталкивающими струи и/или пленки жидкости При соударении струй жидкости образуется жидкая пленка, на по верхности которой можно обнаружить волны, распространяющиеся от точки соударения струй. В результате наложения волн появляются греб ни, из которых после их отрыва образуются капли. Кроме того, капли возникают в результате дробления края пленки (рис. 3.89) [219].

Ж Ж Г Г ж Uг Uж Пленка Рис. 3.89. Соударение струй жидкости: Ж – жидкость;

Г – газ Эмпирическая формула для определения медианного диаметра капли низковязкой жидкости может быть записана в следующем виде [66]:

0, 2n кж ж U г U ж i 1 d кжi sin ж 0,5, nкж d к.мед (3.213) d кжi i где ж – угол между соударяющимися струями жидкости, град;

dкжi – диаметр i-й струи, м;

nкж –число каналов подачи жидкости, шт.

Угол между соударяющимися струями жидкости оказывает суще ственное влияние на дисперсность капель (рис. 3.90).

dк.мед, мкм ж=30° ж=45° ж=60° ж=90° Uг, м/с 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 3.90. Зависимость медианного диаметра капель dк.мед от скорости газового потока Uг и угла между соударяющимися струями ж Для расчета медианного диаметра капель жидкости с учетом ее вяз кости автором предложена формула:

k 24 Anc k 25 sin ж 0,5, nкж d rк.мед (3.214) d кжi i где k24, k25 – эмпирические коэффициенты.

Сравним размеры капель, вычисленных по выражениям (3.213) и (3.214) для низковязкой (вода) и вязкой (связующее) жидкости. Исходные данные:

– диаметр канала подачи жидкости dкж=0,001м;

– число каналов подачи жидкости nкж=2;

– угол между соударяющимися струями жидкости ж=30;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=10…100м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас;

– динамическая вязкость вязкой жидкости (связующего) ж=0,050Пас.

Расчет размеров капель низковязкой жидкости (воды) проведем по выражениям (3.213), (3.214) (рис. 3.91). В выражении (3.214) значения эмпирических коэффициентов: k24=0,08;

k25=0,35:

0,08 Anc 0,35 sin ж 0,5.

nкж d к.мед (3.215) d кжi i Результаты расчета медианного диаметра капель низковязкой жид кости по формулам (3.213) и (3.215) близки.

dмед, мкм 90 Uг, м/с 10 20 30 40 50 60 Рис. 3.91. Зависимость медианного диаметра капель dк.мед низковязкой жидкости (воды) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.213);


2 – рас чет по выражению (3.215) Расчет размеров капель вязкой жидкости (связующего) по выраже ниям (3.213) и (3.215) приводит к значительным расхождениям (рис. 3.92). Это связано с тем, что в выражении (3.213) не учтена вязкость жидкости. При изменении эмпирических коэффициентов в выражении (3.213) можно учесть влияние вязкости жидкости:

0, 2n кж ж U г U ж i 1 d кжi sin ж 0,5. (3.216) nкж d к.мед d кжi i Расчет медианного диаметра капель вязкой жидкости по формулам (3.215) и (3.216) дает близкие результаты (рис. 3.92).

Предложенная зависимость (3.214), в которой учтена вязкость жид кости, при соответствующих эмпирических коэффициентах дает резуль таты медианного диаметра капель близкие к результатам, полученным другими исследователями.

dмед, мкм 90 Uг, м/с 10 20 30 40 50 60 Рис. 3.92. Зависимость медианного диаметра капель dк.мед вязкой жидкости (связующего) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (2.213);

2 – расчет по выражению (3.215);

3 – расчет по выражению (3.216) 3.33.3. Узлы распыления с отражающими элементами (отражателями или обтекателями) Процесс распыления состоит из следующих этапов:

– течение жидкости в струе;

– течение в пленке по поверхности отражателя;

– срыв пленки с кромки отражателя и распад ее на капли.

При набегании струи нормально к плоскости отражателя (рис. 3.93) жидкость в виде пленки течет от его центра к Г Ж периферии. Толщина пленки постепенно уменьшается, далее она срывается с кромки отражателя потоком газа и распадается на капли [66, 83, 166, 203-205, 211].

Размер образующихся капель при незна чительных скоростях газа можно определить по эмпирическому уравнению [83]:

dкж Uг 0, Fr0,5, (3.217) d к d кж 4,71 10 Ga g d 3 2 – критерий Галилея;

где кж Ga ж ж 2 Dотр Fr U г U ж – критерий Фруда.

g d кж Рис. 3.93. Узел распыле В выражении (3.217) отсутствует диаметр ния с отражателем:

отражателя Dотр, хотя значение этого парамет- 1 – отражающий элемент ра оказывает существенное влияние на дис персность капель. Автором предложено выражение, учитывающее диа метр отражателя:

d кж D Anс d к d кж k 26 k 27, (3.218) отр где k26, k27 – эмпирические коэффициенты;

Dотр – диаметр отражателя, м.

Сравним размеры капель, вычисленных для низковязкой (вода) жид кости по выражениям (3.217) и (3.218) (рис. 3.94). Исходные данные для расчета:

– диаметр канала подачи жидкости dкж=0,001м;

– диаметр отражателя Dотр=0,05м;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=10…50м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас.

В выражении (3.218) значения эмпирических коэффициентов:

k26=0,02;

k27=0,5:

d кж D An с d к d кж 0,02 0,5. (3.219) отр Предложенная зависимость (3.218) учитывает диаметр отражателя и при соответствующих эмпирических коэффициентах дает результаты среднего диаметра капель близкие к результатам, полученным другими исследователями.

d к, мкм 45 U г, м/с 5 10 15 20 25 30 35 Рис. 3.94. Зависимость среднего диаметра капель dк низковязкой жидкости (воды) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.217);

2 – расчет по выражению (3.219) 3.33.4. Узлы распыления с элементами, закручивающими поток жидкости вокруг оси узла распыления Принцип действия центробежных распылителей основан на закру чивании подаваемой в него жидкости. Течение жидкости в узле распыле ния обусловлено действием момента количества движения жидких ча стиц относительно оси камеры закручивания, возникающего при закру чивании потока жидкости. Жидкость движется вдоль стенки камеры за кручивания в виде вращающейся пленки, а ядро потока заполняет так называемый воздушный вихрь. При истечении из выходного отверстия канала подачи жидкости пленка распадается, образуя факел в виде поло го конуса, частицы которого разлетаются по прямолинейным траектори ям [45, 83, 120, 166, 175].

Центробежные распылители можно классифицировать по способу по лучения закрученного потока жидкости на тангенциальные, шнековые (с винтовым завихрителем) и спиральные (эвольвентные) (рис. 3.95) [203-205].

В тангенциальном узле распыления (рис. 3.95, а) жидкость входит в камеру закручивания через отверстие, ось которого перпендикулярна оси выходного отверстия канала подачи жидкости, но не пересекается с ней.

В результате этого жидкость закручивается относительно этой оси. В узле распыления с завихрителем (рис. 3.95, б) закручивание осуществля ется с помощью цилиндрической вставки с винтовой нарезкой на внут ренней поверхности. Двигаясь по винтовой нарезке, жидкость закручива ется относительно оси выходного отверстия канала подачи жидкости. В эвольвентном узле распыления канал для подвода жидкости переходит в спираль с выходным отверстием (рис. 3, 95, в) [218, 265].

Ж а) б) в) Ж Ж Uг Uг Uг Uг Рис. 3.95. Центробежные распылители: а – тангенциальные;

б – шнековые;

в – спиральные При малых скоростях истечения жидкости пленка принимает форму пузыря (рис. 3.96, а). Выходящая из канала жидкость образует неразо рванную тонкую пленку, которая вторично стягивается под влиянием сил поверхностного натяжения.

При увеличении скорости истечения форма в виде пузыря превраща ется в форму «тюльпана» (рис. 3.96, б). По мере дальнейшего увеличения скорости длина пленки сокращается, и место образования капель смеща ется к каналу подачи жидкости (рис. 3.96, в). Пленка начинает распадать ся непосредственно после выхода из канала подачи жидкости.

а) б) в) Uг Uг Uг Uж Uж Uж Рис. 3.96. Распад пленки, истекающей из канала центробежного узла распыления, при увеличении скорости газа.

При воздействии на поток закрученной жидкости потока газа в пленке быстро нарастают возмущения, распространяются волны, с ин тенсивно повышающейся амплитудой. Это приводит к распаду пленки на капли, однако вблизи канала подачи жидкости всегда имеется небольшой участок нераспавшейся пленки.

Полученные исследователями экспериментальные данные обработа ны в виде критериальных уравнений, в которых в качестве геометриче ского критерия подобия принята геометрическая характеристика центро бежно-струйного распылителя Ацср (рис. 3.97) [83]:

n вк F кж F вк bвк sin i Ацср 2, (3.220) вк d кж nвк F ск F вк i где bвк – ширина квадратного винтового канала во вкладыше, м;

dск – диаметр цилиндрического осевого канала во вкладыше, м;

Fвк – площадь квадратного винтового канала во вкладыше, м2;

Fск – площадь цилиндри ческого осевого канала во вкладыше, м2;

вк – угол между осью винтово го канала и осью распылителя, град;

nвк – число квадратных винтовых каналов во вкладыше, шт.

Для центробежно-струйных распылителей существуют единые зако номерности дробления жидкости, введение в качестве критерия подобия параметра Ацср делает полученные уравнения достаточно универсальны ми и пригодными для расчета распылителей различных конструкций.

dcк bвк Рис. 3.97. Центробежно-струй ный распылитель с вкладышем:

вк 1 – цилиндрический осевой ка нал во вкладыше;

2 – квадратный винтовой канал во вкладыше;

3 – вкладыш;

4 – корпус;

5 – канал 5 подачи газа;

6 – канал подачи жидкости dкж Uг Uж Средний диаметр образующихся при распылении капель dк (м) с уче том вязкости жидкости можно вычислить по следующим выражениям [83]:

при ж/г 0, А цср We с Lp с 0, 0, ж 5 ;

(3.221) 0, d к d кж 41 10 г при ж/г 0, Lp с ж А цср d к d кж 1,78 10 We с 0, 0, 27 0,15. (3.222) г Для расчета среднего диаметра капель жидкости с учетом ее вязко сти автором предложена формула:

d к d кж k 28 An с 29 Ацср 0, k, (3.223) где k28, k29 – эмпирические коэффициенты.

Сравним размеры капель, вычисленных для низковязкой (вода) жидко сти по выражениям (3.221) и (3.223), так как ж/г2103, и вязкой (связую щее) жидкости – (3.222) и (3.223), так как ж/г2103. Исходные данные:

– диаметр канала подачи жидкости dкж=0,002м;

– число квадратных винтовых каналов во вкладыше nвк=4;

– ширина квадратного винтового канала во вкладыше bвк=0,001м;

– угол между осью винтового канала и осью распылителя вк=20;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=10…100м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

– поверхностное натяжение жидкости =0,073Н/м;

– динамическая вязкость низковязкой жидкости (воды) ж=0,001Пас;

– динамическая вязкость вязкой жидкости (связующего) ж=0,050Пас;

– динамическая вязкость газа (воздуха) г=1,7510-5Пас.

Геометрическая характеристика центробежно-струйного распылите ля по выражению (3.220) при таких исходных данных Ацср=0,188.

Расчет размеров капель низковязкой жидкости (воды) проведем по выражениям (3.221) и (3.223) (рис. 3.98). В выражении (3.223) значения эмпирических коэффициентов: k28=0,005;

k29=0,37:

Ацср d к d кж 0,005 An с 0, 0,. (3.224) Проведем расчет размеров капель вязкой жидкости (связующего) по выражениям (3.222) и (3.223) (рис. 3.99). В выражении (3.223) значения эмпирических коэффициентов: k28=0,02;

k29=0,37:

Ацср d к d кж 0,02 An с 0, 0,. (3.225) dк, мкм 90 Uг, м/с 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 3.98. Зависимость среднего диаметра капель dк низковязкой жидкости (воды) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.221);

2 – расчет по выражению (3.224) dк, мкм 90 Uг, м/с 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 3.99. Зависимость среднего диаметра капель dк вязкой жидкости (связующе го) от скорости газового потока Uг: 1 – расчет по выражению (3.222);

2 – расчет по выражению (3.225) Предложенная зависимость (191), при соответствующих эмпириче ских коэффициентах дает результаты среднего диаметра капель близкие к результатам, полученным другими исследователями.

В результате обработки экспериментальных зависимостей [83] полу чены следующие формулы для расчета медианного диаметра капель:

– для воды и водных растворов глецирина 0, d к.мед пл 1415 Lpс 0, Wec ж ;

(3.226) г – для керосина и расплавленного парафина 0, d к.мед пл 269 Lpс 0, Wec ж, (3.227) г где пл – толщина пленки при выходе из канала подачи жидкости центробежного распылителя, м.

3.33.5. Узлы распыления с вращающимися элементами, распределяющими поток жидкости в потоке газа Принцип работы распылителя с вращающимся элементом заключа ется в следующем. Под действием центробежных сил жидкость течет по вращающемуся элементу и дробится на капли за его пределами. Кон структивными особенностями обеспечивается различный характер рас пределения жидкости в распыле.

По конструкции вращающегося элемента можно выделить дисковые, звездочные, чашечные, сопловые и реактивные узлы распыления (рис. 3.100).

Форма образующегося факела распыления и все его характеристики определяются конструкцией вращающегося элемента. Вращающиеся элементы формируют поток жидкости и режим его течения, предопреде ляя степень ее турбулизации и внутренние пульсации, от которых зави сит качество дробления.

Наибольшим многообразием конструктивных вариантов отличаются дисковые элементы (рис. 3.100, а). Аналогичен дисковому элементу звез дочный рабочий элемент (рис. 3.100, б), используемый для диспергиро вания вязких жидкостей. Находят применение в технологических процес сах распыления чашечные элементы (рис. 3.100, в).

Конструкции сопловых элементов описаны в литературе [66, 74, 78, 83, 138, 166, 175, 182, 203-205]. Поступая по вращающемуся патрубку, жидкость под действием центробежной силы располагается кольцевым слоем по его внутренней поверхности. Попадая в сопло, жидкость при жимается к задней (по ходу вращения) стенке сопла, приобретая одина ковую с патрубком окружную скорость. На выходе из сопла скорость жидкости складывается из окружной и радиальной составляющих. Факел распыления для соплового элемента определяется частотой его вращения, а также числом и производительностью сопел (рис. 3.100, г).

Г Ж Г Ж Г Ж а) б) в) Г Ж Г Ж г) д) Трубка Сопло Прорезь Канал Рис. 3.100. Схемы узлов распыления с вращающимися элементами: а – дисковый элемент;

б – звездочный элемент;

в – чашечный элемент;

г – сопловой элемент;

д – реактивный элемент Реактивные элементы с соплами не получили широкого распростра нения, так как необходимое для процесса диспергирования давление (1…10МПа) требует усложнения конструкции. Элемент вращается за счет энергии распыляемой жидкости (рис. 3.100, д). Жидкость подается в распределительную трубку и через прорезь попадает в криволинейные каналы, выполненные в корпусе элемента. Каналы изогнуты таким обра зом, что жидкость покидает их почти по касательной к внешнему диа метру корпуса элемента. Создается некоторый момент силы реакции вы текающей струи, и корпус начинает вращаться вокруг оси. При этом входное отверстие канала, постоянно перемещаясь, оказывается за пре делами прорези, и доступ жидкости к нему прекращается, а в зону проре зи попадает новый канал.

Поступая на вращающийся элемент, жидкость проходит три основ ные стадии (рис. 3.100, а):

– течение по вращающемуся элементу;

– образование капель за кромкой вращающегося элемента;

– движение в виде капель в газовом потоке.

Характеристики распыла при дроблении жидкости с помощью вра щающегося элемента определяются режимом работы распылителя, раз личают три режима.

Режим I. При малом расходе жидкости на периферии диска (бараба на) образуется жидкое кольцо, на котором развиваются местные возму щения (рис. 3.101, а). Возмущенный участок кольца преобразуется в от росток, который вытягивается в сферическую головку с тонкой соедини тельной перемычкой. Эта головка отделяется, образуя крупную каплю, а перемычка распадается с образованием мелких капель.

Режим II. При увеличении расхода жидкости наступает второй ре жим, при котором отростки на жидком кольце принимают форму длин ных нитей (рис. 3.101, б). На некотором расстоянии от периферии диска нити распадаются на капли примерно одинаковых размеров. Тонкие пе ремычки между каплями формируют мелкие капли. При определенном расходе жидкости число нитей достигает постоянного значения.

а) б) в) 4 вд вд вд д д д Dв Dв Dв 1 1 2 2 Рис. 3.101. Режимы распыления жидкости на вращающемся диске: а – режим I;

б – режим II;

в – режим III Режим III. Когда нити не могут пропустить всю жидкость из кольца на кромке диска, это кольцо сбрасывается с кромки, образуя пленку.

Пленка распадается на капли различных размеров (рис. 3.101, в).

Диаметр образующихся капель, исходя из условия равенства (или пропорциональности) действующих на каплю центробежной силы и силы поверхностного натяжения, выражается зависимостью [203-205]:

2, k 30 (3.228) dк вд Dвд ж где k30 – эмпирическая константа;

вд – угловая скорость вращения диска, с-1;

Dвд – диаметр вращающегося диска, м.

Справедливость соотношения (3.228) проверена экспериментально [138] в диапазоне изменения угловой скорости вращения диска вд=30…1000с-1, диаметра диска Dвд=20…220мм, плотности жидкости ж=900…1360кг/м3, поверхностного натяжения жидкости =0,031…0,456Н/м и диаметра основных капель 0,03…4мм. В этом диа пазоне изменения параметров значение k30 варьировалось k30=1,9…4,6.

Установлено, что k30 мало зависит от профиля кромки диска. В выраже нии (3.228) средний диаметр капель, образующихся при распылении, не зависит от расхода жидкости, что является существенным недостатком.

3.33.5.1. Узлы распыления с вращающимися элементами для монодисперсного распыления Для формирования монодисперсного потока капель в распылителях используют различные вращающиеся диски, барабаны, струйные фор сунки и прочие элементы. Выявлены режимы работы распылителей, при которых распыл близок к монодисперсному. Однако практического при менения эти распылители не нашли из-за наличия существенных недо статков [203-205]:

– узкий диапазон частот вращения диска (или диапазон давлений жидкости перед струйной форсункой), соответствующий монодисперс ному режиму;

– при монодисперсном режиме расход жидкости очень мал, что не приемлемо для практического использования;

– при монодисперсном режиме капли получались слишком крупными.

Частично задача формирования монодисперсного потока капель бы ла решена путем использования в качестве вращающихся элементов уз лов распыления пористых тел. Монодисперсный поток капель формиру ется только в том случае, когда материал пористого элемента имеет регу лярную структуру, как по размерам образующих его зерен, так и по раз мерам пор (питающих каналов). Такую пористую структуру имеют мате риалы, полученные спеканием из керамических, металлических или по лимерных зерен. Также могут быть применены вспененные пластмассы с сообщающимися газовыми порами – поропласты, перфорированные ма териалы. Изменяя размеры зерен и пор, можно регулировать в широком диапазоне размеры капель и производительность распылителя.

Известен ряд конструктивных схем пористых вращающихся элемен тов (ПВЭ) (рис. 3.102). Для распыления чистых жидкостей используют ПВЭ закрытого типа (рис. 3.102, а), для загрязненных жидкостей – ПВЭ открытого типа (рис. 3.102, б, в). Для диспергирования больших коли честв жидкости и распределения ее по высоте зоны распыления приме няют ПВЭ с диафрагмами (рис. 3.102, г) [203-205, 223].

Ж Ж 3 б) 3 в) 3 г) Ж а) Ж 2 2 1 1 4 4 пвэ пвэ пвэ пвэ Рис. 3.102. Пористые вращающиеся элементы: а – ПВЭ закрытого типа;

б – ПВЭ для загрязненных жидкостей;

в – конусное ПВЭ для загрязненных жидкостей;

г – трехкамерное ПВЭ;

1 – пористый элемент;

2 – верхняя крышка;

3 – канал подачи жидкости;

4 – нижняя крышка;

5 –диафрагма;

6 – слой жидкости, вращающийся вместе с пористым элементом;

7 – поверхностный загрязненный слой жидкости;

пвэ – угловая скорость вращения ПВЭ В зависимости от угловой скорости вращения пвэ и радиуса ПВЭ Rпвэ возможны следующие характерные режимы распыления жидкости:

пленочный, пленочно-струйный, струйный и капельный.

Пленочный режим соответствует окружной скорости на поверхности ПВЭ Vпвэ=0,8…1,2м/с. При такой скорости на поверхности пористого элемента образуется жидкий валик, который вытягивается в пленку. С края пленки срываются достаточно крупные капли, имеющие различный диаметр. На краю пленки образуются струи, которые впоследствии рас падаются на крупные капли. Размеры капель, образующихся при пленоч ном режиме распыления, сильно различаются (рис. 3.103, а).

Пленочно-струйный режим наблюдается при окружной скорости на поверхности ПВЭ в диапазоне Vпвэ=1,0…2,0м/с. Увеличение скорости вращения ПВЭ приводит к более равномерному распределению пленки жидкости по поверхности ПВЭ, диаметр пленки уменьшается. Из пленки вытягиваются струи различного диаметра и длины. Распад этих струй приводит к образованию капель, полидисперсность которых весьма вы сока. Наряду с образованием основных струй наблюдается регулярное образование струй, диаметр которых значительно меньше среднего, а длина в несколько раза больше. Эти струи перед распадом отрываются от пленки жидкости у своего основания, и, разрушаясь, образуют большое число мелких капель. При других режимах диспергирования подобное явление не наблюдается (рис. 3.103, б).

а) 3 б) вэ п пвэ V пвэ V пвэ 2 1 г) Rпвэ Rпвэ в) вэ п вэ п V пвэ V пвэ 1 Rпвэ Rпвэ Рис. 3.103. Режимы распыления жидкости ПВЭ: а – пленочный;

б – пленочно струйный;

в – струйный;

г – капельный;

1 – пористый элемент;

2 – пленка;



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.