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 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 10 |

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

-- [ Страница 6 ] --

3 – струя;

4 – капля;

пвэ – угловая скорость вращения ПВЭ;

Rпвэ – радиус пористого элемента;

Vпвэ – окружная скорость на поверхности пористого элемента Струйный режим распыления возникает при окружной скорости на поверхности ПВЭ в диапазоне Vпвэ=2,0…10,0м/с. При такой скорости вращения диаметр и толщина пленки уменьшается. Это приводит к уменьшению диаметра образующихся струй. Струи напоминают жидкие нити, которые распадаются на капли. При этом диаметры крупных и мел ких капель отличаются в 7…10 раз. С ростом скорости вращения пвэ пленка исчезает, струи образуются прямо на поверхности пористого эле мента. Значительно уменьшается длина струй и их диаметр, полидис персность капель также уменьшается (рис. 3.103, в).

При скоростях вращения ПВЭ Vпвэ10м/с наблюдается капельный ре жим распыления жидкости. Диаметр и длина струй жидкости резко уменьшаются или вообще струи жидкости исчезают, то есть распад струй на капли происходит мгновенно. Степень полидисперсности капель стано вится минимальной, отношение максимального и минимального размера капель не превышает двух (dкmax/dкmin2). Капельный режим распыления позволяет получать монодисперсный распыл жидкости. Каплеобразование происходит на поверхности зерен пористого элемента при смачивании и из пор – при несмачивании. Размеры образующихся капель определяются соответственно размером зерен или размером пор (рис. 3.103, г).

Получение монодисперсного распыла капель с высокой дисперсно стью dк=10-5…10-6м с помощью ПВЭ затруднено, так как для этого необ ходимо использовать пористый элемент с тонкой структурой dпэ0,01мм, который должен вращаться с очень высокой угловой скоростью пвэ. Из готовление такого пористого элемента весьма проблематично. Использу емые в настоящее время ПВЭ предназначены для распыления низковяз ких жидкостей с вязкостью ж=(1…30)10-3Па·с. Распыление вязких жид костей неэффективно и возможно при увеличении зерен (пор) в ПВЭ, что приводит к образованию очень крупных капель dк10-3м, которые сильно отличаются размерами.

Уменьшить размеры капель и сформировать монодисперсный рас пыл возможно путем дополнительного дробления капель, полученных с помощью ПВЭ, в потоке газа (рис. 3.104). С помощью такого распылите ля можно диспергировать вязкие жидкости ж10010-3Па·с. Рост вязко сти жидкости приводит к необходимости увеличения диаметра зерен и пор в пористом элементе dпэ=0,1…2мм, что является причиной увеличе ния диаметра капель, образующихся при вращении пористого элемента.

Вылетевшие из ПВЭ крупные капли попадают в охватывающий его сверхзвуковой поток газа.

dа пвэ Ж 6 24 Г Рис. 3.104. Распылитель с ПВЭ: 1 – корпус;

2 – патрубок с каналом подачи жид кости (Ж);

3 – пористый вращающийся элемент;

4 – подшипник;

5 – сверхзвуко вое сопло;

6 – коллекторная полость;

7 – канал подачи газа (Г);

dа – диаметр вы ходного сечения сопла;

пвэ – угловая скорость вращения ПВЭ Для определения диаметра капель при распылении с помощью ПВЭ можно воспользоваться эмпирической зависимостью [203-205]:

6d пэ 3 (3.229) d к 0,52, Rпвэпвэ ж где dпэ – диаметр зерен (смачивание) или пор (несмачивание) ПВЭ, м.

Для определения среднего диаметра капель вязкой жидкости авто ром предложено выражение:

d пэ d к d пэ k 31 Anс k, (3.230) ж Rпвэпвэ где k31, k32 – эмпирические коэффициенты.

Сравним размеры капель, вычисленных по выражениям (3.229) и (3.230) для низковязкой (вода) и вязкой (связующее) жидкости. Исходные данные:

– диаметр зерен (пор) в пористом элементе dпэ=0,0110-3м;

dпэ=0,0510-3м;

dпэ=0,110-3м.

– радиус пористого элемента Rпвэ=0,025м;

– угловая скорость вращения порисого элемента изменяется в диапазоне пэв=100…600 рад/с;

– скорость газа Uг=55м/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.

По выражениям (3.229) и (3.230) рассчитаем размеры капель низко вязкой жидкости (воды), а так же сравним полученные расчетные резуль таты с экспериментальными данными. Скорость газа в выражении (3.229) не учитывается, поэтому примем, что скорость газа в выражении (3.230) Uг=1м/с. В выражении (3.230) значения эмпирических коэффициентов:

k31=1,0;

k32=1,2:

d пэ d к d пэ 1,0 Anс 1,. (3.231) ж Rпвэпвэ Расчет по выражениям (3.229) и (3.231) показывает, что диаметр ка пель воды уменьшается с увеличением угловой скорости вращения пвэ пористого элемента и с уменьшением размера пор (зерен) dпэ в нем (рис. 3.105). Экспериментальные данные, полученные при диспергирова нии воды с помощью ПВЭ, имеющим dпэ=0,1мм, близки к расчетным по выражениям (3.229) и (3.231), размеры капель близки друг к другу, отно шение крупных капель к мелким не превышает dкmax/dкmin3, то есть рас пыл воды можно считать монодисперсным.

dкмм 0, 0, dпэ=0,1мм dпэ=0,1мм dпэ=0,05мм 0, 0, 0, dпэ=0,01мм 0, 100 150 200 250 300 350 400 450 500 пвэрад c Рис. 3.105. Зависимость диаметра капель dк низковязкой жидкости (воды) от уг ловой скорости вращения пвэ при различном диаметре зерен (пор) dпэ в пористом элементе: ——— – расчет по выражению (3.229);

— — — – эксперименталь ные данные;

– расчет по выражению (3.231) Проведем расчет среднего диаметра капель низковязкой (воды) и вязкой (связующего) жидкости распыленной ПВЭ и дополнительно дис пергированной в потоке газа (рис. 3.106). Примем скорость газа в выра жении (3.230) Uг=55м/с, значения эмпирических коэффициентов:

k31=100,0;

k32=1,2:

1, 2 d пэ (3.232) d к d пэ 100 An с.

R пвэ пвэ ж Сочетание ПВЭ и потока газа приводит к резкому уменьшению раз меров капель (рис. 3.106). Результаты эксперимента показывают, что при диспергировании воды с помощью ПВЭ размеры капель составляют dк10-4м. Подавая эти капли в поток газа со скоростью Uг=55м/с, их дис персность можно увеличить до dк=10-5…10-6м. Также наблюдается уменьшение полидисперсности капель воды dкmax/dкmin2. При дисперги ровании высоковязкой жидкости, например, связующего ЭДТ-10, подо гретого до 60С, также можно получить монодисперсный режим распы ления. При скорости истечения газа Uг=55м/с размеры капель составляют dк=10-4…10-5м. Отношение размера больших и маленьких капель dкmax/dкmin3, что говорит о монодисперсности распыла. Таким образом, дополнительное дробление в потоке газа полученных в ПВЭ крупных капель позволяет получить монодисперсный распыл, состоящий из ка пель малых размеров.

dкмм 0, 0, dпэ=0,1мм dпэ=0,1мм dпэ=0,05мм 0, 0, 0, dпэ=0,01мм 0, 100 150 200 250 300 350 400 450 500 пвэрад c Рис. 3.106. Зависимость диаметра капель dк воды и связующего ЭДТ-10 от угло вой скорости вращения пвэ при различном диаметре пор dпэ в ПВЭ и скорости истечения газа Uг: ——— – расчет по выражению (3.229);

– — – — – экспери ментальные данные для воды и связующего ЭДТ-10;

– расчет для воды и связующего ЭДТ-10 по выражению (3.231) 3.33.6. Узлы распыления с элементами, генерирующими колебания в потоке газа В настоящее время нет четких представлений о механизме воздей ствия колебаний газовой среды на распад жидкой пленки или струи. Од ни исследователи объясняют распыление возникновением на поверхно сти жидкости капиллярных волн, вершины которых при достижении определенной амплитуды отделяются от поверхности жидкости в виде капель. По мнению других авторов, распыление обусловлено возникно вением кавитации с периодическим образованием во время полуцикла разрежения в пленке небольших полостей, заполненных парами жидко сти. Разрушение этих полостей во время полуцикла сжатия вызывает сильные ударные волны, разрушающие поверхность жидкости и приво дящие к распылению.

Экспериментально установлено, что капиллярно-волновой гипотезой вполне удовлетворительно можно объяснить закономерности распыления слоя жидкости ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 13…3000кГц. В области ультразвуковых колебаний частотой выше 3000кГц процесс распыления жидкости обусловлен наряду с капиллярно волновыми эффектами еще и кавитацией. Расчеты [239] показали, что амплитуда ударной волны, возникающей при схлопывании кавитацион ного пузырька и распространяющейся в слое жидкости при частоте накладываемых колебаний 2МГц, вызывает такое вертикальное смеще ние, которое может возбудить на поверхности жидкости стоячие капил лярные волны конечной амплитуды и вызвать образование капель. При уменьшении частоты колебаний амплитуда ударной волны уменьшается.

Поскольку частоты накладываемых колебаний в узлах распыления с аку стическими излучателями не превосходят нескольких сотен килогерц, по видимому, капиллярно-волновая гипотеза в данном случае наиболее при емлема [1, 61, 65, 69, 84-88, 102, 107, 113, 114, 121, 122, 130, 150].

Вместе с тем акустические волны (волны разрежения–сжатия) не мо гут непосредственно приводить к образованию капель. Если считать, что длина волны сравнима с диаметром капли, то есть если вdк, то для об разования капель диаметром 20мкм требуются частоты порядка 50МГц.

Однако известно, что при частотах в несколько килогерц ультразвуковые распылители позволяют получать капли размером несколько микрон.

Таким образом, накладываемые извне колебания являются источником дополнительных возмущений. Эти дополнительные возмущения усили вают факторы, приводящие к распаду струи (пленки) жидкости, и увели чивают дисперсность капель [224, 264].

Все акустические распылители отличаются между собой типом ге нератора акустических колебаний:

1. распылители с излучателем Гартмана;

2. распылители со статическим генератором;

3. распылители с динамическим генератором;

4. распылители с вихревым генератором.

Распылители с излучателем Гартмана. Перспективны распылите ли с излучателем Гартмана, обеспечивающие распыление значительных количеств жидкости при малых давлениях подачи. Они характеризуются широким диапазоном регулирования производительности, высокой ин тенсивностью акустических колебаний, простотой конструкции, надеж ностью в эксплуатации.

Генерация колебаний происходит при встрече прямоструйного пото ка газа с преградой, выполняемой чаще всего в виде одной или несколь ких полостей, называемых резонансными и обращённых открытым вхо дом навстречу потоку. Акустическое поле создается газоструйным излу чателем путем преобразования постоянного давления газа в переменное звуковое. Энергия высокочастотных колебаний подводится к жидкости со стороны газа.

Принцип действия распылителей с газоструйным излучателем Гарт мана основан на том, что вытекающий из сопла под давлением выше 90кПа газ (воздух) имеет скорость, превышающую скорость распростра нения в нем звука. В этом случае распределение давления в потоке газа, истекающего из сопла, на разных расстояниях от его среза периодически меняется. Устанавливая на определенном расстоянии от среза сопла по дачи газа излучатель объемом Vpез, работающий как резонатор, излучают в окружающую среду звуковые волны. При этом возникают колебания, под действием которых газ периодически поступает под избыточным давлением в резонатор, а затем выталкивается из него. Частота колебаний воздуха и, следовательно, частота излучаемых звуковых волн определя ется размерами полости резонатора – глубиной hрез, диаметром dрез и рас стоянием между соплом и резонатором lрез (рис. 3.107).

lрез hрез Ж Г dрез 5 Рис. 3.107. Распылитель со стержневым излучателем Гартмана: 1 – корпус;

2 – сопло подачи газа (Г);

3 – резонатор;

4 –ударная (звуковая) волна;

5 – канал пода чи жидкости (Ж) Распылители со статическими сиренами. Распылители со статиче скими сиренами обеспечивают благоприятные условия для распыления жидкости и создания факела требуемой формы. Статические сирены типа тороидального генератора работают при низком давлении газа (~40кПа), обеспечивая к.п.д. около 10% (рис. 3.108).

Б А Ж 5 Рис. 3.108. Распылитель со статической сиреной: 1 – корпус;

2 – канал подачи Г газа (Г);

3 – резонатор (тороидальная полость);

4 – ударная (звуковая) волна;

D р ез 5 – канал подачи жидкости (Ж) Струя газа под высоким давлением подается в резонатор в виде торо идальной полости. Ударяясь об острый край полости А, газ отклоняется и движется по круговой траектории внутри полости. Вблизи нижнего края полости Б газовый поток пересекает основной проходящий поток газа и прерывает его, вызывая пульсации. Частота звуковой волны, зависит от поперечного сечения резонансной полости и остается постоянной при из менении диаметра тороида Dрез. Выходная мощность зависит от величины газового потока и возрастает с увеличением диаметра тороида Dрез.

Распылители с динамическими сиренами. Распылители с динами ческими сиренами не имеют системы, вырабатывающей акустические колебания. Принцип действия их основан на механическом прерывании потока газа (рис. 3.109).

А А-А 5 6 5 4 Г Ж Г 8 А Рис. 3.109. Распылитель с динамической сиреной: 1 – корпус;

2 – канал подачи газа (Г);

3 – ротор турбины;

4 – лопатка;

5 –диск;

6 – отверстие в диске;

7 – под шипник;

8 – канал подачи жидкости (Ж) Газ под давлением поступает из канала в ротор турбины и сообщает ему вращательное движение. Затем газ направляется к отверстиям в диске.

Отверстия в диске периодически перекрываются лопатками, приводимыми во вращение от ротора турбины. В результате происходит прерывание по тока газа, и со стороны отверстий (в зоне распыления) возникают импуль сы давления. Используя диски с большим числом отверстий и большие скорости вращения, получают колебания ультразвуковой частоты.

Динамические сирены, имеющие к.п.д. 30…40%, позволяют полу чать большие акустические мощности и обеспечивают плавное регулиро вание частоты (от нескольких герц до нескольких мегагерц). Однако ис пользование их для создания распылителей сдерживается большими раз мерами, сложностью эксплуатации (ввиду наличия вращающихся частей) и изготовления.

Распылители с вихревыми генераторами акустических колеба ний. Вихревые генераторы акустических колебаний относятся к наиболее простым излучателям звука. Сжатый газ через тангенциальные отверстия поступает в камеру закручивания, где под действием центробежных сил прижимается к стенке камеры. При движении к выходу кольцевой газовый поток сначала расширяется, а затем сужается. Скорость потока в направле нии от периферии к оси камеры растет с уменьшением радиуса, то есть избыточное статическое давление переходит в скоростной напор и давле ние падает ниже атмосферного. Падение давления зависит от давления на входе и геометрических размеров камеры. Под действием перепада давле ний атмосферный воздух проникает в осевую зону излучателя и под влия нием сил трения образует центральный вынужденный вихрь. Давление в центре вихря уменьшается до некоторой отрицательной величины, и цикл повторяется. В вихревых генераторах создаются акустические колебания небольшой интенсивности;

их к.п.д. не превышает 3% (рис. 3.110).

Ж Г 1 Рис. 3.110. Распылитель с вихревым генератором акустических колебаний:

1 – камера закручивания;

2 – тангенциальные каналы подачи газа (Г);

3 – каналы подачи жидкости (Ж) Дисперсные характеристики. Для определения среднего диаметра капель от акустической мощности генератора Waк и толщины жидкостной пленки пл можно использовать выражение [203-205]:

0, пл, d к k 33 (3.233) 0, W ак где k33 – эмпирический коэффициент, зависящей от равномерности плен ки (для оптимального варианта k33=193103);

Wак – акустическая мощ ность, Вт.

В выражении (3.233) отсутствует зависимость среднего диаметра ка пель от вязкости жидкости и скорости потока газа, их влияние учтено в эмпирическом коэффициенте k33. Влияние этих параметров учтено в вы ражении, предложенном автором:

пл 2 Anпл k 35, (3.234) d к k г W ак где k34, k35 – эмпирические коэффициенты.

Распад пленки жидкости можно описать обобщающим критерием Anпл:

г U г U ж.

3 (3.235) Anпл пл ж ж Сравним размеры капель, вычисленных для низковязкой жидкости по выражениям (3.233) и (3.234). Исходные данные для расчета:

– толщина пленки жидкости пл=0,001м;

– акустическая мощность изменяется в диапазоне Wак=100…400Вт;

– скорость газа Uг=10м/с;

– плотность газа г=1,205кг/м3;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

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

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

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

В выражении (3.234) значения эмпирических коэффициентов:

k34=2,3;

k35=2:

пл 2 An пл 2. (3.236) d к 2, г W ак Предложенная зависимость (3.234), при соответствующих эмпириче ских коэффициентах дает результаты среднего диаметра капель близкие к результатам, полученным в работе [205].

dк, мкм W ак, Вт 100 150 200 250 Рис. 3.111. Зависимость среднего диаметра капель dк низковязкой жидкости от акустической мощности Wак: 1 – расчет по выражению (3.233);

2 – расчет по вы ражению (3.236) 3.33.7. Узлы распыления с элементами, генерирующими колебания в потоке жидкости Увеличение поверхностной энергии струи или пленки жидкости до стигается путем наложения на нее колебаний различной частоты, чаще ультразвуковой. В настоящее время используемые частоты для распыле ния жидкости лежат в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот f= 20…80кГц и f=1000…5000кГц. При генерировании колебаний в жид кости используют более высокие частоты, так как коэффициент затуха ния ультразвуковых волн в жидкости существенно меньше чем в газе. В результате наложения колебаний на границе раздела фаз «газ–жидкость»

формируется аэрозоль (мелкие капли, туман). Для наложения колебаний на поток жидкости используют магнитострикционный и пьезоэлектриче ский эффект [1, 61, 65, 69, 84-88, 102].

Распылители с магнитострикционным излучателем. Распылитель с магнитострикционным излучателем (рис. 3.112) состоит из магнитострик ционного преобразователя с резонансной частотой 18…22 кГц, распыли тельной насадки и узла для тангенциального ввода распыляемой жидкости.

Газ, проходящий снаружи распылительного насадка, также подвергается колебательному воздействию. Изменяя частоту и энергию колебаний соот ветствующим изменением параметров электрического тока, подаваемого на магнитострикционный преобразователь, можно регулировать дисперсность распыляемой жидкости [107, 113, 114, 121, 122, 130, 150, 302].

Ж Г Вода 3 5 1 2 Рис. 3.112. Распылитель с магнитострикционным излучателем:

1 – магнитострикционный преобразователь;

2 – жидкость для охлаждения;

3 – волновод;

4 – распылительный насадок;

5 – коллектор подачи газа;

6 – каналы подачи газа;

Ж – распыляемая жидкость;

Г – газ Распылители с пьезоэлектрическим излучателем. Пьезоэлектри ческие распылительные устройства работают в широком диапазоне ча стот (от сотен до нескольких тысяч кГц).

В распылителе жидкость расположена над сферическим пьезоэлек трическим излучателем так, что ее уровень находится в области фокаль ного пятна. Ультразвуковые колебания вызывают выброс частиц жидко сти с ее поверхности. Частицы жидкости подхватываются потоком газа, формируется дисперсная система – аэрозоль. Дисперсность частиц жид кости достигает 0,5мкм (рис. 3. 113).

Г Аэрозоль Вода Ж Рис. 3.113. Распылитель с пьезоэлектрическим излучателем: 1 – корпус;

2 – сфе рический пьезоэлектрический преобразователь;

3 – уровень жидкости (воды);

4 – фокальное пятно на поверхности жидкости;

5 – отбойник;

Ж – распыляемая жидкость;

Г – газ Пульсационные распылители. Дробление потока жидкости обу словлено потерей устойчивости течения в струях и пленках вследствие образования на их поверхности неустойчивых волн. Поэтому наложение пульсации на поток жидкости приводит к увеличению поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и более тонкому диспер гированию.

Пульсации в потоке жидкости возбуждают:

– полным или частичным перекрытием каналов подачи жидкости;

– создают колебания давления перед каналом подачи жидкости с помощью пульсатора.

В соответствии с этим распылители, реализующие первый способ, называют пульсационным распылителем с прерывателем (рис. 3.114), а второй — пульсационным распылителем с возбудителем (рис. 3.115).

В пульсационном распылителе с прерывателем (рис. 3.114) в корпусе установлен на подшипниках вращающийся вал, на торце которого за креплен диск с отверстиями. При вращении диска периодически откры ваются каналы подачи жидкости в факел распыления. Открытие каналов подачи жидкости происходит при совпадении их с отверстиями во вра щающемся диске. Частота пульсаций зависит от частоты вращения вала, числа каналов подачи жидкости и числа отверстий в диске.

Ж Г Рис. 3.114. Пульсационный распылитель с прерывателем: 1 – корпус;

2 – вал;

3 – подшипник;

4 – диск;

5 – канал подачи жидкости;

6 – отверстия в диске;

7 – канал подачи газа;

Ж – жидкость;

Г – газ В пульсационном распылителе с возбудителем (рис. 3.115) пульса ции возникают вследствие возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре. Жидкость по магистрали подают в распылитель. Поршень периодически отбирает и вновь возвращает в магистраль некоторое ко личество жидкости, возбуждая в ней пульсации давления.

Ж Г Рис. 3.115. Пульсационный распылитель с возбудителем: 1 – магистраль подачи жидкости;

2 – магистраль подачи газа;

3 – насос жидкости;

4 – насос газа;

5 – цилиндр с поршнем;

6 – распылитель;

Ж – жидкость;

Г – газ Дисперсные характеристики. Механизм образования капель при генерировании колебаний в потоке жидкости может быть объяснен отры вом их от гребней стоящих капиллярных волн конечной амплитуды, су ществующих на поверхности колеблющейся жидкости. При этом средний диаметр капель жидкости по данным работы [205 ] может быть опреде лен по формуле:

8 d к 0,3, (3.237) f ж где f – частота колебаний, Гц.

В формуле (3.237) не учтено влияние вязкости жидкости, также от сутствуют параметры потоков газа и жидкости. Некоторые из этих пара метров учтены в выражении [205]:

k d кж d к k 36 d кж f, (3.238) Uг Uж где k36, k37 – эмпирические коэффициенты, k36=1,12…1,145;

k37=0,328…0,333.

Рассчитаем средний диаметр капель низковязкой жидкости (воды) по выражению (3.237) и (3.238) при различных частотах колебаний в жидкости (рис. 3.116). Исходные данные для расчета:

– частота колебаний изменяется в диапазоне f=20…50кГц;

– плотность жидкости ж=1000кг/м3;

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

– скорость потока газа Uг=2м/с;

– скорость потока жидкости Uж=1м/с;

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

dк, мкм f, кГц 20 25 30 35 40 Рис. 3.116. Зависимость среднего диаметра капель dк низковязкой жидкости от частоты колебаний f: 1 – расчет по выражению (3.237);

2 – расчет по выражению (3.239) В формуле (3.238) примем эмпирические коэффициенты k36=1,12;

k37=0,328:

0, d кж d к 1,12 d кж f. (3.239) Uг Uж Информации о способе распыления с наложением колебаний на по ток жидкости мало. Однако можно сделать некоторые выводы, говоря щие о перспективности дальнейших работ в этой области:

– наложение пульсаций на поток жидкости усиливает турбулизацию факела распыления, что может быть полезно при перемешивании;

– наложение пульсаций уменьшает размер капель;

– некоторые схемы пульсационных распылителей позволяют управ лять распределением плотности орошения в факеле распыления.

3.33.8. Узлы распыления с элементами, воздействующими на факел распыления В настоящее время считаются перспективными разработки, связан ные с созданием узлов распыления, которые наряду с акустическими ко лебаниями потоков жидкости и газа используют кинетическую энергию газового потока. Используя в качестве воздействующих на факел распы ления элементов газодинамические модули, можно регулировать пара метры процесса распыления. Оснащение распылителей газодинамиче скими модулями позволяет упорядочить взаимодействие газовых струй с потоком жидкости.

Пульсирующие струи газа излучают интенсивные акустические коле бания, воздействующие на факел распыления. Наложение на факел распы ления акустического поля повышает дисперсность капель (рис. 3.117).

Ж Г Рис. 3.117. Распылитель с пульсирующими струями газа: 1 – корпус;

2 – канал по дачи жидкости;

3 – канал подачи газа;

4 – газодинамический модуль;

5 – коллек торная полость, соединяющая газодинамические модули;

Ж – жидкость;

Г – газ Для расширения диапазонов технологических режимов распыления в предсопловом объеме (коллекторная полость) узла распыления могут возбуждаться колебания давления с помощью какого-либо генератора колебаний – газодинамического модуля (рис. 3.118).

Ж Г Рис. 3.118. Многорежимный распылитель: 1 – корпус;

2 – канал подачи жидко сти;

3 – канал подвода газа;

4 – газодинамический модуль (генератор колебаний);

5 – предсопловой объем (коллекторная полость);

6 – канал подачи газа (сверхзву ковое сопло);

Ж – жидкость;

Г – газ Распылитель с насадком, использующий особенности распростране ния составных сверхзвуковых струй в каналах, также позволяет расши рить диапазоны технологических режимов распыления (рис. 3.119). По становка насадка на узле распыления позволяет повысить число Маха на срезе трубы, не повышая рабочий диапазон изменения давления, и орга низовать распыление жидкости либо пульсирующими, либо стационар ными струями [61, 65, 69, 84-88, 102, 107, 113, 114, 121, 122, 130, 150, 239, 240, 293].

Средний диаметр капель можно определить по выраженниям (3.237) и (3.238). Значение частоты колебаний потока газа f в цилиндрическом насадке при сверхзвуковом режиме истечения газа (рис. 3.119) [65]:

f 2 k 38 1 1 М U зв, (3.240) тр 4 l тр где Мтр – число Маха в насадке за скачком уплотнения;

k38 – эмпирический коэффициент (k38=1…3).

Г 2 3 Ж lтр Рис. 3.119. Распылитель с насадком: 1 – корпус;

2 – канал подачи жидкости;

3 – канал подачи газа;

4 – газодинамический модуль, состоящий из сверхзвуко вых сопел;

5 – коллекторная полость, соединяющая сверхзвуковые сопла;

6 – насадок;

Ж – жидкость;

Г – газ 3.33.9. Узлы распыления с электризацией потока жидкости При искусственной электризации струя жидкости находится в элек трическом поле. Под действием этого поля на поверхности струи происхо дит некоторое распределение давлений, вызывающее потерю ее устойчи вости, распад и образование капель. Образующиеся капли приобретают электрический заряд. При этом увеличивается электронапряженность поля или потенциал капель, уменьшается их собственное внутреннее давление, а соответственно и поверхностное натяжение. С уменьшением внутреннего давления капель увеличивается эффективность воздействия аэродинамиче ских сил. Дисперсность капель возрастает, наблюдается переход от поли дисперсного распыла к монодисперсному [66, 81, 183, 203-205].

Электризация потока жидкости показана на примере центробежного распылителя (рис. 3.120). Корпус распылителя и отделенный от него изо ляционной трубкой электрод подключены к источнику тока. При подводе напряжения к распылителю происходит перераспределение скоростей движения жидкости и вследствие этого – изменение дисперсности капель и угла факела распыла.

Ж Г Рис. 3.120. Центробежный распылитель с электризацией потока жидкости:

1 – корпус;

2 – тангенциальный канал подвода жидкости;

3 – канал подачи жид кости;

4 – канал подачи газа;

5 – электрод;

6 – изоляционная трубка;

Ж – жидкость;

Г – газ Избыточное давление внутри заряженной капли pq (Па) при извест ных потенциале капли Uпот, заряде капли qк или напряженности электри ческого поля Eэп определяется по соответствующим уравнениям [205]:

2 qк отн о U пот ;

p q pq ;

r пк отн 32 о r к 2 2 rк rк pq 0,5 отн о E '2, (3.241) эп rк где pq – избыточное давление внутри заряженной капли, Па;

qк – заряд капли, Кл;

отн – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

rк – радиус капли, м;

о – электрическая постоянная, Ф/м;

Eэп – напряжен ность электрического поля, В/м;

Uпот – потенциал капли, В.

Для вакуума о=8,85410-12Ф/м=8,85410-12Кл2/(Нм2), для воздуха отн=1,0005.

Поверхностное натяжение заряженной капли q (Н/м) при потенциа ле Uпот, заряде qк, напряженности Eэп рассчитывают по уравнениям[205]:

qк о U пот q отн ;

q ;

отн 64 о 2 r 4 rк к q 0,25 отн о E 2 r к. (3.242) эп Силовое взаимодействие заряженных капель с потоком газа при известном Uпот, qк или Eэп выражается следующими зависимостями [205]:

г U г U к 2 U г U к 2 2 qк U отн о пот ;

г 2 4;

rк отн 32 о rк 2 2 rк rк г U г U к 0,5 отн о E 2. (3.243) эп 2 rк В работе [205] приведен следующий пример. Капля воды диаметром rк=20мкм получает заряд потенциалом Uпот=300В. При отсутствии заряда капля таких размеров разрушались бы при скоростном напоре, равном 0,5г(Uг–Uк)2=2/rк=145500Па (0,146МПа). Если радиус капли воды rк=20мкм, поверхностное натяжение =0,073Н/м, подводимый потенциал Uпот=300В, отн=1,0005 и о=8,85410-12Ф/м, то поверхностное натяжение, согласно уравнению (3.241), понижается до q=0,01526. Соответственно аэродинамические силы, необходимые для разрушения такой заряженной капли, согласно уравнению (3.243), также уменьшаются до 3075Па (0,031МПа) то есть более чем в четыре раза.

Предельная скорость Uпред (м/с), с которой капля способна двигаться в воздухе не разрушаясь, согласно [94], равна:

. (3.244) U пред 2 г r к Радиус заряженной капли rq (м) в зависимости от потенциала, кото рый подводится к штуцеру распылителя, при известном Uпот, qк или Eэп определяют по следующим уравнениям [205]:

qк о U пот ;

r q r к отн ;

r q rк 4 64 отно 2 r к rq rк отн о E 2 r к.

2 (3.245) эп Также в работе [205] приведен пример. При распылении воды образу ются капли радиусом rк=10мкм (рис. 3.121, а). Если на каждую из этих ка пель подавать заряд потенциалом Uпот=300В, то капли начнут разрушаться под действием аэродинамических сил, и радиус вновь образовавшихся ка пель, согласно уравнению (3.245), rq=2мкм (рис. 3.121, б). Таким образом, при подведении потенциала к капле размеры ее уменьшатся в 5 раз.

а) Uг Г dк=2rк Uк Ж dпк=2rпк б) Uг Г Uк Ж dпк=2rпк dq=2rq Рис. 3.121. Распад капли жидкости: а – при распылении в потоке газа;

б – при распылении в потоке газа в электростатическом поле;

Ж – жидкость;

Г – газ Авторы работы [205] рассмотрели зависимость поверхностной энер гии капель от степени их электризации. На примере двух первичных капель радиусом rпк, одна из которых распыляется в потоке газа (рис. 3.121,а), а вторая — в условиях коронного разряда (рис. 3.121, б), получены зависимости приращения поверхностной энергии заряженных капель Eк (Дж) от потенциала Uпот, от заряда капли qк и от напряженно сти Е электрического поля:

отн о r пк U пот 2 2 ;

E кU 4 r к отн о r к U пот qк ;

E кq 16 отн о r к 64 2 отн о r 3 qк к отн о r пк E 4, 2 2 (3.246) E кE 4 отн о r к E эп где rпк – радиус первичной капли (до разрушения), м;

rк – радиус капель, получаемых при распылении в потоке газа (без электрического поля).

При распылении в потоке газа приращение поверхностной энергии, являющейся результатом работы только аэродинамических сил, опреде ляется по уравнению [205]:

E к 4 r пк r пк 1. (3.247) rк При распылении с электризацией капель приращение поверхностной энергии является суммарным результатом работы аэродинамических и электрических сил и при известных потенциале Uпот, заряде qк или напряженности Е электрического поля выражается зависимостями [205]:

отн о r пк U пот 2 2 E кU сум 4 r пк r пк 1 ;

4 r к отн о r к U пот rк qк Eкq сум 4 rпк rпк 1 ;

16 отн о rк 64 2 отн о r3 qк rк к отн о r пк E 4. (3.248) 2 2 E кE сум 4 r пк r пк 1 эп 4 отн о r к E'2эп rк Расчеты показывают, что при распаде капли воды радиусом rпк=2мм с поверхностным натяжением =0,073Н/м без электризации (рис. 3.121, а), можно получить капли радиусом rк=2510-6м. Увеличение поверхностной энергии при этом составляет Ек=29010-6Дж. При дроб лении такой же капли, наэлектризованной до потенциала Uпот=530В, с помощью тех же аэродинамических сил, получено двукратное увеличе ние поверхностной энергии (Ек=51510-6Дж) (рис. 3.121, б). Размеры полученных при электризации капель rq=0,410-6м. Отношение rк/rq63, то есть размеры капель, полученных при дополнительной электризации жидкости, в 63 раза меньше, чем при дроблении в потоке газа. Следова тельно, без учета падения поверхностного натяжения, обусловленного электрическими силами, увеличение поверхностной энергии капель в этом случае составило бы [205]:

E ксум 4 r пк r пк 1 18340 106 Дж. (3.249) r q Это увеличение поверхностной энергии почти в 63 раза больше по лучаемого при распылении в потоке газа и в 40 раз больше рассчитанного по второй формуле (3.246). На основании полученных результатов авто ры работы [205] делают следующие основные выводы.

1. Поверхностная энергия капель зависит от величины аэродинами ческих сил и от степени электризации и возрастает прямо пропорцио нально, величине отн2о2·rпк2Uпот2 и обратно пропорционально 4rq2q.

2. С увеличением потенциала, заряда или напряженности электриче ских полей капель уменьшается их поверхностное натяжение, что огра ничивает рост поверхностной энергии.

3.33.10. Узлы распыления с элементами для понижения эффективной вязкости жидкости 3.33.10.1. Насыщение потока жидкости газом Увеличение поверхностной энергии жидкости насыщенной газом обуславливается тем, что пузырьки газа разделяют сплошную жидкость еще до истечения, то есть происходит процесс грубого диспергирования.

Насыщение жидкости газом приводит к снижению ее эффективной вяз кости (рис. 3.122).

13 Ж+Г Ж Г Г Г Рис. 3.122. Распылитель с насыщением жидкости газом: 1 – магистраль подачи жидкости;

2 – магистраль подачи газа;

3 – насос жидкости;

4 – насос газа;

5 – смеситель жидкости и газа;

6 – распылитель;

Ж – жидкость;

Г – газ Рассмотрим стадии распада пленки при росте газонасыщения (рис. 3.123). При отсутствии газонасыщения образуется сплошная жидкост ная пленка, с краев которой отрываются капли (рис. 3.123, а). Затем в жид кость перед распылителем подают газ, расход которого постепенно увели чивают. При малом расходе газа на насыщение поверхность пленки турбу лизируется, и в ней появляются отдельные перфорации (рис. 3.123, б).

Ж Ж+Г а) б) Ж+Г Ж+Г в) г) Рис. 3.123. Стадии распада пленки жидкости при росте газонасыщения: а – глад кая пленка (газ не подается);

б – образование перфораций;

в – образование сплошных разрывов;

г – образование струй Затем число разрывов растет, перемычки между ними становятся тоньше, и отдельные крупные капли начинают отрываться в различных местах пленки (рис. 3.123, в). При дальнейшем увеличении количества подаваемого газа пленка исчезает, факел распыления состоит из струй, распадающихся на капли (рис. 3.123, г). С ростом газонасыщения струи распадаются на более мелкие капли [203-205].

Таким образом, предварительное насыщение жидкости газом приво дит к увеличению эффективности распыления – к существенному сниже нию расхода газа и энергии по сравнению с распылением без газонасы щения.

На основе формулы (3.202) автором предложена формула для расче та среднего диаметра капель, образующихся в результате распыления жидкости с учетом насыщения потока жидкости газом:

Q Q k 39, (3.250) ж дг k d к d кж k 20 An Qг где k39 – эмпирический коэффициент, характеризующий дополнительное насыщение потока жидкости газом;

Qдг – объемный расход газа для насыщения жидкости газом, м3/c.

Сравним размеры капель, вычисленных по выражению (3.202) и (3.250), для низковязкой жидкости (вода). Расчет проведем для струи жидкости, истекающей из цилиндрического канала, охваченного сверх звуковым щелевым соплом подачи газа (рис. 3.124). Исходные данные для расчета:

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

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

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

– диаметр канала дополнительного насыщения жидкости газом dдг=0,0005м;

– 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.

В выражении (3.250) значения эмпирических коэффициентов:

k20=500,0;

k21=0,7, k39=1,2:

Q Q1, 2 (3.251) 0, 7 ж дг.

d к d кж 500,0 An Qг Средний диаметр капель низковязкой жидкости при дополнительном насыщении потока жидкости газом уменьшается примерно на 15% (рис. 3.125).

Г ащ Г Ж+Г dдг dкж dщ Ж Рис. 3.124. Компоновка узла распыления со сверхзвуковым щелевым соплом и насыщением жидкости газом: Г – газ;

Ж – жидкость dк, мкм Uг, м/с 350 400 450 500 550 600 Рис. 3.125. 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);

3 – расчет по выражению (3.251) 3.33.10.2. Элементы, повышающие температуру потока жидкости Для понижения эффективной вязкости жидкости в конструкцию рас пылителя вводят нагревательный элемент. При повышении температуры вязкость жидкости обычно уменьшается. В некоторых случаях жидкость доводят до кипения, то есть происходит образование пара (рис. 3.126).

13 Тж Ж Г Рис. 3.126. Распылитель с нагревателем жидкости: 1 – магистраль подачи жидко сти;

2 – магистраль подачи газа;

3 – насос жидкости;

4 – насос газа;

5 – нагреватель;

6 – распылитель;

Ж – жидкость;

Г – газ В зависимости от температуры нагрева жидкости и связанного с ним содержания пара в струе жидкости изменяется ее расход и форма факела распыления. При высоких температурах подогрева жидкости работа рас пылителя может существенно измениться, так как может происходить интенсивное испарение жидкости [203-205].

Процесс истечения подогретой и кипящей жидкости, а также паро жидкостной смеси из центробежного распылителя различен (рис. 3.127).

а) Парожидкостная смесь б) в) Парожидкостная смесь Парожидкостная смесь Ж Ж Ж Газ Пар Жидкость Пар Жидкость Пар Газ Жидкость Рис. 3.127. Истечение жидкости с различной температурой нагрева из центро бежного распылителя: а – подогретая жидкость;

б – кипящая жидкость;

в – парожидкостная смесь Подогрев жидкости до температур, при которых давление ее паров больше давления окружающей среды, приводит к существенному умень шению коэффициента расхода (рис. 3.127, а). При температурах жидкости, когда давление ее паров меньше давления окружающей среды, в которую подается жидкость, практически не влияет на расход [180, 188].

Кипящая жидкость при истечении из центробежного распылителя разделяется на два потока. Поток жидкости в виде кольца движется вдоль стенки канала подачи жидкости, а в сердцевине потока – пар (рис. 3.127, б).

Размеры парового вихря зависят от содержания пара в потоке.

Истечения кипящей жидкости из центробежной форсунки с разделе нием фаз, отражает случаи, когда жидкость до разделения фаз является несущей средой, то есть содержание пара в ней мало. Если содержание пара велико, то образуется парожидкостная смесь, течение которой имеет принципиальные особенности, отличающие его от истечения кипящей или однородной жидкости. Опыты показали [180], что при истечении парожид костной смеси из центробежного распылителя с тангенциальными вход ными каналами пар отделяется от жидкости в камере закручивания. Даль нейшее движение компонентов парожидкостной смеси происходит, раз дельно, вплоть до выходного сечения (рис. 3.127, в). В камере закручива ния образуется центральный вихрь, аналогичный вихрю, наблюдаемому при истечении жидкости.

Для расчета среднего диаметра капель, образовавшихся в процессе распыления, можно воспользоваться выражением (3.250):

Q ж Q пар, k (3.252) d кж k 20 An k 21 dк Qг где Qпар – объемный расход пара, м3/c.

3.34. Эффективность диспергирования жидкостей различными способами сверхзвукового газодинамического метода распыления Эффективность диспергирования жидкостей в значительной мере за висит от правильного выбора способа СГМР и соответственно от узла распыления, реализующего этот способ. На эффективность диспергиро вания влияет большое число факторов, учесть которые не всегда пред ставляется возможным. Повышению эффективности диспергирования способствуют следующие факторы: низкая вязкость и малое поверхност ное натяжение жидкости, малый расход жидкости, высокое давление и большой расход газа, высокая скорость и вязкость газа, оптимальная ор ганизация факела распыления.

В ряде случаев требования, предъявляемые к узлу распыления, могут оказаться противоречивыми и не могут быть выполнены без изменения технологии. Выбор способа СГМР и соответствующего узла распыления зависит от конкретного технологического процесса и от его аппаратурно го оформления, поэтому сказать однозначно, какой способ СГМР наибо лее приемлем в том или ином случае, не представляется возможным.

При выборе способа СГМР пристальное внимание необходимо обра щать на вязкость и поверхностное натяжение жидкости. Регулировать по верхностное натяжение компонентов смеси в широком диапазоне значений весьма проблематично, поэтому с технологической точки зрения рацио нально изменять вязкость жидкости. Эту задачу решают путем создания композиций, имеющих вязкость, пригодную для их транспортировки по трубопроводам и дальнейшего распыления. Учитывая эти обстоятельства, следует выбирать способ СГМР и конструктивно-технологические элемен ты, повышающие эффективность диспергирования. Для интенсификации диспергирования в конструкцию узла распыления включают несколько таких элементов.

Рассмотрим применение конструктивно-технологических элементов, повышающих эффективность диспергирования, в зависимости от вязко сти жидкости (рис. 3.128).

Вязкость жидкости, Па*с 10- 10- 1 3 5 6 7 8 9 10 2 4 11 10- Конструктивно-технологический элемент, повышающий эффективность диспергирования Рис. 3.128. Области применения способов СГМ в зависимости от вязкости жидко сти: 1 – базовые способы;

2 – способы с элементом для разделения потока жидко сти на отдельные струи и/или пленки;

3 – способы с элементами для столкнове ния струй и/или пленок жидкости;

4 – способы с отражающими элементами;

5 –способы с элементами для закручивания потока жидкости вокруг оси узла распыления;

6 – способы с вращающимися дисковыми элементами, на которые подают поток жидкости;

7 – способы с элементами для повышения температуры жидкости;

8 – способы с элементами, генерирующими акустические колебания;

9 – способы с элементами, генерирующими ультразвуковые колебания;

10 – спо собы с элементами, создающими пульсации в потоке жидкости;

11 – способы с электризацией потока жидкости;

12 – способы с насыщением жидкости газом;

13 – способы с элементами, воздействующими на факел распыления Приведенная диаграмма является весьма условной и показывает ка чественный характер, так как используемые для ее построения данные взяты из работ авторов, изучавших диспергирование жидкостей с раз личными свойствами, условия диспергирования и конструкции узлов распыления, используемых ими в экспериментах, также значительно от личаются друг от друга. Из диаграммы видно, что диспергированию мо гут быть подвергнуты жидкости с вязкостью до 5 Пас, что соответствует свойствам композиций (растворов, суспензий, эмульсий), используемых в технологических процессах различных отраслей промышленности.

Интенсифицировать диспергирование жидкости можно путем сов местного применения нескольких конструктивно-технологических эле ментов, повышающих эффективность диспергирования. Например, объ единив элемент для повышения температуры жидкости и элемент для насыщения жидкости газом, можно резко снизить эффективную вязкость жидкости и повысить дисперсность получаемых частиц [32].

Таким образом, зная требования, предъявляемые к узлу распыления, свойства жидкости, необходимую дисперсность формируемых частиц, можно выбрать наиболее подходящие конструктивно-технологические элементы, повышающие эффективность диспергирования. На базе этих элементов выбрать приемлемый способ СГМР и далее разработать узел распыления.

3.35. Анализ теории сверхзвукового газодинамического распыления 1. Рассмотрено состояние вопроса распыления жидкостей сверхзву ковым газовым потоком, из которого следует следующее.

1.1. Проведено большое число экспериментальных работ по распы лению низковязких жидкостей сверхзвуковым газовым потоком, предло жены эмпирические выражения для определения образующихся при дис пергировании диаметра капель.

1.2. Исследований, посвященных распылению вязких жидкостей, крайне мало, изучению этого вопроса не уделялось большого внимания, так как распыление вязких жидкостей дозвуковым газовым потоком мало эффективно, диспергирование таких жидкостей выгоднее производить в смесителях. Однако, формирование многокомпонентных смесей в смеси телях не позволяет достичь высокой однородности, что связано с природой процесса перемешивания. В этом случае диспергирование вязких жидко стей в потоке газа становится выгодным, поэтому исследование сверхзву кового распыления жидкостей является актуальной проблемой, решение которой позволит расширить область применения газодинамического ме тода и создать новые эффективные технологии смесеобразования.

1.3. В настоящее время отсутствуют концепции формирования сме сей с использованием сверхзвукового потока газа, отсутствует теоретиче ская база инженерного проектирования ГОС.

2. Проведен анализ оборудования для распыления, принципиальных схем газодинамических систем, на основе которого разработана класси фикация способов СГМР. В классификации выделены конструктивно технологические элементы, повышающие эффективность распыления жидкости.

3. Изложены основные положения СГМР, выделены основные пара метры, характеризующие процесс распыления жидкости газом, приведены зависимости для определения основных параметров процесса распыления.

4. Проведен анализ ГОС, состоящей из двух подсистем.

4.1. Подсистема подготовки и подачи газа в факел распыления.

4.2. Подсистема подготовки и подачи компонентов смеси в факел распыления.

5. Проведен анализ структур и свойств одиночной сверхзвуковой струи и составных сверхзвуковых струй газа, рассмотрены закономерно сти их распространения в технологическом оборудовании, взаимодей ствие струй между собой, с преградами, с окружающей средой. Разобра ны варианты управляющего воздействия на поток газа с целью измене ния его параметров.

5.1. Рассмотрена одиночная сверхзвуковая струя, структура скачков уплотнения одиночной струи при различных режимах истечения.

5.2. Проанализированы составные сверхзвуковые струи, состоящие из двух, трех и четырех струй. При взаимодействии сверхзвуковых струй образуется развитая система скачков уплотнения.

5.3. Рассмотрено взаимодействие сверхзвуковых струй, истекающих навстречу друг другу, образующаяся при этом структура скачков уплот нения.

5.4. Проведен анализ схем и режимов взаимодействия одиночной и сверхзвуковой струи с преградой.

5.5. Приведено описание режимов течений (эжекция, переходной ре жим, режим обратных токов) в околосопловой области при многоструй ном истечении газа из соплового блока.

5.6., Рассмотрено явление эжекции газа из окружающей среды в сверхзвуковую струю при ее истечении.

5.7. Большое внимание уделено распространению одиночных и со ставных сверхзвуковых струй в каналах различной формы.

5.7.1. Рассмотрены режимы распространения одиночной сверхзвуко вой струи и составной сверхзвуковой струи в трубе с внезапным изменени ем сечения. Представлены структуры скачков, уплотнения возникающих в трубе. Приведено описание колебательных процессов, происходящих в трубе, при различных режимах истечения сверхзвуковой струи в нее.

5.7.2. Рассмотрены режимы распространения сверхзвуковой струи в трубе при наличии диафрагмы. Показано влияние диафрагмы на парамет ры сверхзвуковой струи, в частности на колебания волновой структуры.

5.7.3. Рассмотрены особенности распространения сверхзвуковых струй в каналах с расходящимися стенками и кольцевыми канавками. По казано влияние конфигурации канала на режимы колебаний потока газа.

5.8. Для создания эффективных ГОС важно управление параметрами струй в газовых трактах технологических устройств. Выделены следую щие виды воздействия для управления струями: геометрическое, расход ное, акустическое, тепловое, комбинированное. Для управления парамет рами газового потока предложены различные конструкции модульных генераторов.

6. Параметры потока жидкости, подаваемого в поток газа, зависят от конфигурации канала подачи жидкости. Рассмотрено влияние цилин дрических, конических, коноидальных, щелевых каналов на параметры потока жидкости, истекающего из них.

7. Представлены основные уравнения гидродинамики движения жидкости в газовой среде, рассмотрены условия взаимодействия на по верхности раздела «жидкость-газ», приведены критерии подобия, необ ходимые для рассмотрения происходящих при распылении жидкости явлений. Показано, что при описании процесса распыления жидкости с учетом ее вязкости используют несколько критериев: Вебера We, Рей нольдса Re, Лапласа Lp. При рассмотрении дробления единичного объек та (струи, пленки, капли), при известном его ускорении и характерном времени процесса, употребляют критерии Струхаля, гомохронности и Бонда. Использование такого числа критериев крайне неудобно с практи ческой точки зрения, поэтому автором были предложены критерии для описания процессов распыления жидкости с учетом ее вязкости – обоб щающий критерий An, и для случая дробления единичного объекта – An1.


8. Рассмотрена структура факела распыления на начальном этапе взаимодействия потоков жидкости и газа, выделены характерные участки факела распыления. Представлены схемы взаимодействия потоков жид кости и газа на участке возмущения струи жидкости при различных па раметрах истечения газа.

9. Проанализирован распад струи жидкости в сверхзвуковом потоке газа. Выделены формы распада струи: осесимметричная длинноволновая, волнообразная, осесимметричная коротковолновая. Представлены крите рии, определяющие процесс дробления струи жидкости, в том числе предложенные автором критерии Anc и An1с.

9.1. Проведен анализ процесса каплеобразования при распаде струи жидкости. Представлены механизмы распада струи низковязкой ньюто новской жидкости, вязкой ньютоновской жидкости, неньютоновской жидкости. Приведены эмпирические выражения для определения средне го диаметра первичных капель. Автором на базе критерия Anс предложе ны выражения для расчета среднего диаметра первичных капель при осе симметричном и волнообразном распаде струи жидкости, результаты расчета по которым близки к результатам расчета по выражениям других исследователей.

9.2. Для проведения технологических процессов важно время распада струи жидкости на капли. Приведено выражение для определения време ни распада струи с учетом вязкости жидкости. Автором также предложе но выражение, содержащие критерий Anс, для расчета времени распада струи жидкости. Результаты расчета по обоим выражениям сходны.

10. Строение частиц, образовавшихся при распаде струи и находя щихся в факеле распыления, весьма разнообразно и зависит от состава формируемой смеси и свойств ее компонентов. Разобран состав сил, дей ствующих на частицу в потоке газа.

11. Представлен обзор дробления капель в потоке газа, рассмотрены варианты дробления при различном приложении нагрузки к капле, пред ставлены критерии, определяющие процесс дробления капли.

11.1. Автором предложены критерии для описания процесса распада капель Anпк и An1пк. Приведены выражения для определения критическо го значения критерия Вебера, также представлены критические значения критериев Weпк_кр, B1пк_кр, Anпк_кр. Определены режимы деформации кап ли и границы критериев Weпк, В1пк, Anпк для каждого режима.

11.2. Представлены схемы дробления капли жидкости при прохож дении скачка уплотнения для различных режимов дробления капли нью тоновской жидкости, неньютоновской жидкости, жидкой капли с вклю чениями твердых частиц.

11.3. Образование вторичных капель возможно при распаде первич ной капли в сверхзвуковом потоке газа или при прохождении капли через скачок уплотнения. Представлено выражение для расчета среднего диа метра вторичной капли. Автором предложены выражение с критерием Anпк для расчета среднего диаметра вторичной капли при распаде пер вичной капли как в сверхзвуковом потоке, так и при прохождении скачка уплотнения. Расчеты по различным выражениям для каждого из рассмат риваемых случаев распада капель низковязкой и вязкой жидкости дают близкие результаты.

11.4. Важными параметрами процесса дробления капли является время индукции и распада капли. Представлены выражения по определе нию времени индукции и распада капли разных исследователей, автором также предложены выражения для расчета этих времен с учетом крите рия Anпк. Расчет для низковязкой и вязкой жидкости по выражениям ав тора и формулам, предложенным другими исследователями, дают близ кие результаты.

12. Кратко рассмотрен тепло- и массоперенос в факеле распыления.

Приведены уравнения передачи массы и уравнения передачи тепла из работ некоторых исследователей. Выведено выражение для расчета тем пературы поверхности капли.

13. Разработаны способы СГМР, составлен их обзор. В основу клас сификации способов положены конструктивно-технологические элемен ты, повышающие эффективность диспергирования:

– элементы, разделяющие поток жидкости на отдельные элементы и/или пленки;

– элементы, сталкивающие струи и/или пленки;

– отражающие элементы;

– элементы, закручивающие поток жидкости вокруг оси узла распы ления;

– вращающиеся элементы, распределяющие поток жидкости в пото ке газа;

– элементы, генерирующие колебания в потоке газа;

– элементы, генерирующие колебания в потоке жидкости;

– элементы, воздействующие на факел распыления;

– электризация потока жидкости;

– элементы, понижающие эффективную вязкость жидкости.

Для каждого способа СГМР представлены выражения, полученные разными исследователями, для определения среднего диаметра или меди анного диаметра капель. Также для каждого способа СГМР автором предложено выражение с критерием An. Сравнение результатов расчета по предложенным автором выражениям достаточно близко совпадает с результатами расчета по формулам других исследователей.

14. Каждый способ СГМР имеет свою область применения в зависи мости от вязкости жидкости, проведенный анализ различных источников показал, что в зависимости от конструктивно-технологического элемента, повышающего эффективность распыления наиболее эффективно насы щение жидкости газом, применение вращающихся и отражающих эле ментов, наложение колебаний на поток жидкости или газа.

Проведя анализ теории СГР можно сделать следующие выводы.

1. Теория СГР разработана достаточно полно, в ней выявлены и по казаны связи между явлениями, происходящими в факеле распыления, представлены разработанные автором схемы и механизмы взаимодей ствия потоков жидкости и газа, распада струй, дробления капель.

2. Научная новизна разработанной теории заключается в ведении нового критерия подобия An, предложенного автором, который учитыва ет основные параметры, влияющие на эффективность процесса распыле ния – поверхностное натяжение жидкости, ее вязкость и плотность, ско рость истечения газа и его плотность. Предложенный критерий An заме няет несколько критериев, используемых ранее в работах других иссле дователей, что важно с практической точки зрения. Предложенные авто ром выражения с критерием An для различных способов СГМР при рас чете среднего или медианного диаметра капель дают достаточно прием лемые результаты, что подтверждается сравнением с результатами расче тов других исследователей. Эти выражения пригодны для применения в инженерной практике.

3. Разработаны способы СГМР, характеризующиеся наличием кон структивно-технологического элемента, повышающего эффективность распыления. Приведена сравнительная оценка способов СГМР, показав шая их перспективность для диспергирования вязких жидкостей. Иссле дование подавляющего числа способов СГМР проводилось при распыле нии низковязких жидкостей, диспергирование вязких жидкостей упоми нается в литературе и патентах эпизодически, поэтому необходимо даль нейшее всестороннее изучение этого процесса.

4. Теория СГР дает возможность практической реализации полу ченных в ней выводов и результатов. Концепция СГР может быть осу ществлена с помощью ГОС. В этой системе процессы взаимодействия потоков жидкости и газа, распада струй, дробления капель основаны на закономерностях, схемах и механизмах, изложенных в теории СГР.

4. ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА 4.1. Газодинамическая операционная система в технологических процессах формирования смесей Технологическая концепция формирования смесей газодинамиче ским методом может быть реализована с помощью газодинамической операционной системы (ГОС). Применение в технологическом оборудо вании ГОС значительно уменьшает трудоемкость и повышает произво дительность формирования смесей. В процессе формирования смесей необходимо обеспечить стабильность и однородность рецептурного со става, как в макро-, так и в микрообъеме смеси.

Рассмотрим применение ГОС для формирования смесей (рис. 4.1).

Ключевым звеном ГОС является распылитель, который установлен в корпусе газодинамического смесителя. Из компонентов смеси приготав ливают жидкие композиции, пригодные для транспортирования по шлан гам и трубопроводам, и подают их в распылитель. На выходе из распыли теля формируется факел распыления, где происходит распад струй жид ких композиций, дробление капель, перемешивание и гомогенизация компонентов смеси. Однородная капельная масса потоком газа напыля ется на поверхность («зеркало») формируемой смеси, скапливающейся в нижней части корпуса газодинамического смесителя. На поверхности смеси происходит взаимодействие капель между собой и образование смеси заданного состава и рецептуры. Движущиеся капли компонентов спреерным потоком проникают через поверхность жидкой смеси, слива ясь с нею, а потоки газа, отражаясь от этой поверхности, изменяют направление своего течения. Взаимодействие газового потока с поверх ностью жидкой смеси сопровождается образованием на ней волн. Силь ное воздействие газового потока на поверхность смеси приводит к глубо кому его проникновению в поверхностный слой формируемой смеси и образованию кратера. В литературе эта область взаимодействия имеет различные названия: реакционная зона, лунка, кратер, реакционный очаг.

В дальнейшем область взаимодействия многофазной струи с поверхно стью смеси будем называть кратером. Кратеры на поверхности смеси увеличивают площадь поверхности смеси, что вызывает интенсифика цию процесса смесеобразования. Выделяют три зоны реакции между компонентами смеси.


Подвод компонентов смеси и газа Отвод газа II I III Вывод смеси Рис. 4.1. Схема газодинамической операционной системы для формирования смеси: 1 – корпус газодинамического смесителя;

2 –формируемая из компонентов смесь;

3 – факел распыления;

4 – клапан отвода газа;

5 – распылитель, 6 – по верхность («зеркало») жидкости;

7 – кратер;

8 – волна;

I, II, III – реакционные зоны Первичная реакционная зона (I) – кратер, где происходят реакции между напыляемыми частицами компонентов и смесью.

Вторичная реакционная зона (II)- часть поверхности («зеркала») смеси незанятая кратерами, где также происходит взаимодействие между частицами компонентов и смесью.

Третичная реакционная зона (III) – нижележащие слои смеси, где происходит взаимодействие между частицами компонентов смеси, не вступившими во взаимодействие в кратере или на поверхности смеси.

В результате проведения реакций в трех зонах выравнивается кон центрация компонентов смеси по ее объему, смесь гомогенизируется.

Отработанный и очищенный от жидких включений газ отводится из корпуса газодинамического смесителя через клапан отвода газа. Далее отработанный газ очищается в системе фильтров и может быть снова по дан в распылитель, то есть газ будет использоваться по замкнутому цик лу. Отстоявшаяся смесь, в которой прошли процессы взаимодействия между ее компонентами, выводится из корпуса газодинамического сме сителя. Готовая смесь направляется далее по технологическому маршру ту, например, подается в заливочные формы или контейнеры для хране ния и транспортировки.

Формирование покрытия напылением можно считать частным слу чаем формирования смеси газодинамическим методом. Рассмотрим при менение ГОС для формирования покрытий (рис. 4.2).

Подвод компонентов покрытия и газа Отвод газа 3 1 Рис. 4.2. Схема газодинамической операционной системы для формирования по крытий: 1 – корпус установки для напыления;

2 –распылитель;

3 –факел распыле ния;

4 – основа (покрываемая заготовка);

5 – покрытие, 6 – транспортировочная лента;

7 – патрубок системы вентиляции В корпусе установки для напыления установлен распылитель. Из ком понентов покрытия также составляют жидкие композиции, пригодные для транспортирования по шлангам и трубопроводам, и подают в распылитель.

В созданном на выходе из распылителя факеле распыления жидкие струи композиций распадаются на капли, которые затем дробятся и перемешива ются между собой. Поток капель напыляется на основу (покрываемую заго товку), компоненты композиций взаимодействуют между собой в толще покрытия. Покрытие отверждается и изделие движется далее по технологи ческому маршруту, например, на транспортерной ленте. Отработанный газ с частицами композиций выводится из установки для напыления через па трубок и направляется в систему вентиляции для очистки.

Достоинствами разработанной ГОС перед традиционными методами формирования смесей является: непрерывность процесса перемешивания, высокая однородность получаемых смесей, полная автоматизация процес са, технологическая концентрация и совмещенность операций, экологиче ская безопасность, простота и надежность технологического оборудования, устойчивость функционирования технологической системы, простота ее настройки и управления [55, 56, 103-106, 134, 147, 152, 159, 160, 295].

Предложенная ГОС может быть использована в различных техноло гических процессах, в которых необходимо производить перемешивание жидких и сыпучих компонентов. Она эффективно может быть применена при изготовлении изделий из ГНПМ, приготовлении лакокрасочных ма териалов, связующих, клеев, герметиков, пропитке арматуры композици онных материалов, формировании различных покрытий.

4.2. Формализация структуры газодинамической операционной системы Распылению могут подвергаться как исходные компоненты смеси, так и приготовленные из них композиции. В состав композиций могут входить различные твердые (порошки) или жидкие компоненты: пласти фикаторы, модификаторы, стабилизаторы, наполнители, структурирую щие вещества. Композиция должна представлять собой дисперсный сы пучий порошок или текучую жидкость и обладать однородностью, физи ческой и химической стабильностью, неизменностью состава при хране нии, транспортировке.

Предположим, что смесь включает в себя несколько исходных ком понентов. Приготовление такой смеси может быть осуществлено с ис пользованием следующих подходов.

1. Совмещенный подход, основанный на предварительном объедине нии исходных компонентов смеси в одну или несколько композиций и их дальнейшая совместная переработка в готовую смесь (рис. 4.3). Совме щенный подход применим для формирования смесей, компоненты кото рых не вступают между собой в химические реакции. Поэтому такие компоненты смеси могут быть заранее совмещены между собой.

Дозированная загрузка исходных компонентов в смеситель и их предварительное перемешивание Приготовление нереакционноспособной композиции Транспортировка композиции из смесителя к распылителю и ее подача в факел распыления Подача композиции в факел распыления Дробление потока композиции газовым потоком на капли на начальном участке факела распыления Дробление потока композиции, образование капель Дробление капель в газовом потоке и их перемешивание на переходном участке факела распыления Дробление капель, перемешивание капель Перемешивание и гомогенизация капель на основном участке факела распыления Перемешивание и гомогенизация капель Напыление капель на поверхность формируемой смеси и получение жидкой нереакционноспособной смеси Формирование смеси Рис. 4.3. Совмещенный подход к организации газодинамической операционной системы При совмещенном подходе ГОС содержит подсистему подготовки и подачи компонентов смеси в факел распыления, в которой обязательным элементом является специальный смеситель. В этом смесителе произво дится предварительное (грубое) перемешивание исходных компонентов смеси между собой. Результатом операции перемешивания в смесителе является образование однородной нереакционноспособной композиции с предварительным распределением компонентов по объему. Композицию подают в распылитель и далее в факел распыления, в котором происхо дит следующая технологическая операция, состоящая из переходов: рас пыления, дополнительного перемешивания и гомогенизации компонен тов. Здесь необходимо отметить, что формирование смеси происходит без прохождения каких-либо химических реакций между компонентами, как в факеле распыления, так и в приемной емкости. Целью данной опе рации является получение однородной смеси с равномерным распределе нием компонентов по ее объему.

Для организации ГОС «исходные компоненты смеси нереакцион носпособная композиция распыление, перемешивание и гомогенизация в газовом потоке однородная смесь» требуется несложное технологиче ское оборудование, уменьшается количество насосов, упрощается кон струкция распылительного устройства. Так как многие исходные компо ненты это текучие жидкости, то для приготовления композиции необходи мой вязкости требуется незначительное количество растворителя.

2. Дифференцированный подход, основанный на раздельной подаче компонентов смеси в распылитель и их совмещение в процессе диспер гирования в факеле распыления или на конечной стадии формирования смеси (рис. 4.4). Компоненты смеси могут вступить в химическую реак цию между собой, поэтому их подают раздельно в факел распыления.

Раздельная подготовка исходны х ком понентов, при необходимости приготовление нескольких композиций на их основе П риготовление исходны х ком понентов и/или ком позиций Транспортировка ком понентов и/или ком позиций к распы лителю и их подача в ф акел распы ления П одача ком поненов и/или композиций в ф акел распы ления Д робление потоков компонентов и/или ком позиций газовы м потоком на капли на начальном участке ф акела распы ления Д робление потоков компонентов и/или ком позиций, образование капель Д робление капель в газовом потоке и их перем еш ивание на переходном участке ф акела распы ления Д робление капель, перем еш ивание капель П ерем еш иваниеи гом огенизация капель на основном участке ф акела распы ления П ерем еш ивание и гом огенизация капель Н апы ление капель на поверхность ф ормируем ой см еси и вступление компонентов в реакцию м еж ду собой с дальнейш им образованием см еси Ф орм ирование см еси Рис. 4.4. Дифференцированный подход к организации газодинамической операционной системы При дифференцированном подходе осуществляют раздельную пода чу исходных компонентов в распылитель. Попадая в газожидкостный факел, эти компоненты подвергаются распылению, перемешиванию и гомогенизации. Раздельная подача компонентов смеси необходима в том случае, если компоненты при совмещении вступают в химическую реак цию между собой или их совместная подача в распылитель затруднена по каким-либо причинам. Для организации ГОС «исходные компоненты смеси распыление, перемешивание и гомогенизация в газовом потоке реакционноспособная композиция однородная смесь» часто требу ется подготовка исходных компонентов. Из компонентов смеси готовят несколько исходных композиций, которые по автономным трубопрово дам подают насосами с заданным расходом в распылитель. В газожид костном факеле происходит диспергирование, перемешивание и гомоге низация компонентов смеси. В результате образуется тонкодисперсная однородная, реакционноспособная композиция, которая напыляется в приемную емкость. На поверхности (зеркале) смеси распыленные компо ненты сближаются между собой, и после прохождения химических реак ций между ними превращаются в готовую смесь.

Выбор совмещенного или дифференцированного подхода к органи зации ГОС зависит в основном от свойств компонентов формируемой смеси и ее назначения в технологическом процессе. Формируемая смесь может быть использована при изготовлении какого-либо материала или покрытия.

Структуры совмещенного и дифференцированного подходов содер жат ряд одинаковых технологических операций: диспергирование, пере мешивание и гомогенизация компонентов смеси. На этих операциях мо жет быть использовано однотипное оборудование, которое легко настра ивается для работы с конкретной смесью, то есть оборудование имеет высокую технологическую гибкость. Дозирование, диспергирование, перемешивание и гомогенизация компонентов смеси могут быть разде лены на автономные операции, а могут быть совмещены с операциями транспортировки и нанесения на изготавливаемое изделие. Высокая тех нологическая концентрация операций делает производственный процесс выгодным, коротким по времени, высокопроизводительным, энергосбе регающим, а оборудование – легким, компактным, занимающим мало места. Процесс формирования смеси может происходить непрерывно, что позволяет получать смесь в большом количестве с одинаковыми свой ствами в каждой партии. Изменяя состав элементов ГОС и связи между ними, ее можно адаптировать ко многим процессам.

Процесс смесеобразования в ГОС состоит из двух этапов.

1. Формирование дисперсной системы с газовой дисперсной средой (распыление компонентов смеси).

2. Формирование дисперсной системы с жидкой дисперсной средой суспензий, паст, эмульсий, пен (перемешивание компонентов смеси).

Эффективность ГОС зависит от правильности выбора основных тех нологических параметров процесса смесеобразования на каждом этапе.

На этапе распыления к таким параметрам можно отнести: дисперсность капель, угол факела распыления, площадь и конфигурацию зоны ороше ния (напыления), распределение капель жидкости по объему факела рас пыления. От результатов процесса распыления компонентов смеси на первом этапе зависит эффективность их перемешивания на втором. Вза имодействие компонентов смеси на этапе перемешивания зависит не только от их природы, но и от площади поверхности («зеркала») смеси, глубины проникновения струй газа в смесь, параметров волновых про цессов на поверхности смеси.

4.3. Основные технологические параметры факела распыления Ключевым звеном ГОС является узел распыления, от конструкции которого зависят параметры факела распыления (рис. 4.5). Изменяя кон струкцию узла распыления можно изменять дисперсность капель, конфи гурацию зоны орошения, распределение жидкости по объему факела рас пыления. Определение параметров факела распыления является актуаль ной задачей, и нашло отражение в работах ряда исследователей.

I Центр сопел подачи газа Центр каналов Ось факела подачи жидкости распыления eцкI-I dсг II II dкж eцкII-II dа dкр I Рис. 4.5. Конструктивные параметры узла распыления: I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

dкр – критический диаметр канала подачи газа;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dсг – диаметр расположения каналов подачи газа;

ецкI-I – расстояние (эксцентриситет) между центром расположения каналов подачи жидкости и центром расположения каналов подачи газа в продольной плоскости I-I;

ецкII-II – расстояние (эксцентриситет) между центром расположения каналов подачи жидкости и центром расположения каналов подачи газа в поперечной плоскости II-II Компоновка узла распыления оказывает существенное влияние на параметры факела распыления. Компоновка узла распыления – взаимное расположение каналов подачи газа и жидкости [60, 72, 73, 135, 200].

Осесимметричная компоновка – компоновка, при которой центр расположения сопел подачи газа совпадает с осью канала подачи жидко сти, то есть отсутствует эксцентриситет eцк=0.

Асимметричная компоновка – компоновка, при которой центр рас положения сопел подачи газа не совпадает с осью канала подачи жидко сти, то есть присутствует эксцентриситет eцк0.

Применим для аналитического исследования факела распыления за кономерности движения свободных турбулентных струй. В дальнейшем будем рассматривать случай с осесимметричной компоновкой узла рас пыления (рис. 4.6). При применении асимметричных компоновок узлов распыления многофазная струя на основном участке «В» факела распы ления аналогична струе, образующейся при истечении из осесимметрич ной компоновки.

r Uфр_r rтек dа dкр rфр_х x dкж dсг Ux Ux 1 А Б В хo Рис. 4.6. Схема факела распыления: 1 – коллектор подачи газа;

2 – канал подачи жидкости;

3 – сопло подачи газа;

4 – одиночная сверхзвуковая струя газа;

А – начальный участок;

Б – переходной участок;

В – основной участок;

rфр – радиус факела распыления;

Uх – скорость потока на оси факела распыления;

х0 – координата начала основного участка факела распыления;

rфр_х – радиус фа кела распыления в сечении с координатой «х»

Многофазный поток, образованный в процессе распыления, представ ляет собой типичный случай развития свободной струи. Внешняя граница его приближается к конической поверхности, как и во всех осесимметрич ных струях. По мере движения многофазной струи объемная концентрация жидкости в поперечных сечениях сильно уменьшается за счет постоянного подсоса газа (воздуха) из окружающей среды. На достаточном удалении от сопел отношение объема газа в струе к объему распыленной жидкости ста новится очень значительным, а скорость движения газа, перемешанного с каплями, сравнивается со скоростью капель.

Помимо основного движения, направленного вдоль оси факела рас пыления, в многофазной струе имеют место поперечные потоки. При поперечном перемещении потоки выходят за пределы области основного движения, переносят в соприкасающиеся со струей области неподвижной среды свои импульсы и увлекают их. На место объемов, выброшенных из основного потока, внутрь проникают новые слои газа, которые тормозят граничные слои основного потока. В результате такого обмена общая масса струи растет, а ширина ее увеличивается. Капли перемещаются как вдоль оси факела распыления, так и в поперечных направлениях от мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией.

При высоких скоростях истечения газа из сопел, в факеле распыле ния всегда наблюдается турбулентное движение. Благодаря турбулент ному перемешиванию через любую площадку, перпендикулярную к по перечному направлению, перемещаются потоки, вихревые объемы кото рых, идущие в сторону меньшей концентрации, насыщены каплями больше, чем объемы, идущие в противоположном направлении. Такой вид распределения капель по поперечному сечению приводит к посте пенному выравниванию их концентрации по мере удаления от сопел.

Схематически факел распыления (рис. 4.6) можно разбить на три ха рактерных участка [132, 171, 189, 239, 240].

1. Начальный участок «А». Здесь происходит распад струи жидкости и начинается процесс каплеобразования – возникают первичные капели.

2. Переходный участок «Б». Здесь наблюдается очень большая кон центрация капель, а также происходит процесс дробления в системе скачков уплотнения первичных крупных капель на более мелкие вторич ные капли.

3. Основной участок «В». Здесь наблюдается относительно малень кая концентрация капель, которые перемешиваются друг с другом в тур булентном потоке. На этом участке одиночные струи, взаимодействуя между собой, образуют одну многофазную струю.

Длина нераспавшейся струи жидкости на начальном участке «А» ма ла, она примыкает непосредственно к выходному сечению канала подачи жидкости. Поэтому для упрощения расчетной схемы можно принять, что многофазный поток на начальном «А» и переходном «Б» участках пред ставляет собой поток с большой концентрацией капель, где происходит распад первичных капель и образование вторичных. На основном участке «В» происходит объединение одиночных сверхзвуковых струй в одну струю, которая подобна струе, истекающей из одиночного сопла.

Аналитическое исследование динамики движения на начальном «А» и переходном «Б» участках сопряжено с очень большими трудностями, по этому остановимся на рассмотрении только основного участка факела «В».

Подробный вывод зависимостей, описывающих многофазную струю, приведен в литературе [2,132, 151, 249-251]. Здесь же приведем окончательные формулы, позволяющие произвести анализ факела распы ления и дать практические инженерные рекомендации для проектирова ния ГОС. Начальные параметры потоков жидкости и газа можно опреде лить по формулам (3.1)-(3.23). Определим основные параметры факела распыления [73, 189].

Начальная концентрация жидкости в факеле распыления zж [73]:

zж = Gж/Gг. (4.1) Координата начала основного участка факела распыления x0 (мм) [189]:

ж (4.2) 10,7.

x0 4, г Введем относительный радиус факела распыления rх и относитель ную координату хх [73]:

rх= rфр_х/(0,5dсг), хх= х/(0,5dсг), (4.3) где dсг – начальный диаметр факела распыления, мм;

rфр_х – радиус факе ла распыления в сечении с координатой «х», мм.

Относительный радиус на основном участке факела распыления rx в сечении с координатой «х» определяется из выражения [73, 189]:

zж ln A 0,25 arctgB, (4.4) 0,22 x x rх 1 z ж 2 1 z 1 z ж 11,48rх 2 ж, A 1,22 rх zж zж 2 1 z ж 11,48rх 0,, 1 z ж zж B 1,28 rх 1 z ж 1 z ж zж 11,48r x 2 0,31r x zж zж где А, В – выражения, подставляемые в уравнение (4.4).

Зная относительный радиус факела распыления rx можно определить радиус факела распыления rфр_х в сечении с координатой «х».

Скорость потока на оси факела распыления Ux (м/с) в сечении с ко ординатой «х» рассчитывается по следующей формуле [189]:

2,25 G ж U г U x Uг 2 r x г U г 0,25d сг (4.5) 0, r x 11,5 G г U г G ж U ж G ж U г U 20,25d 2 G U G U сг г ж г г г ж Для определения концентрации жидкости zx на оси факела распыле ния с координатой «х» воспользуемся выражением [189]:



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 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.