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 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 10 |

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

-- [ Страница 7 ] --

Ux 0, Uг. (4.6) zx 1 U 0,6 x G ж U г Uг Gг U г Gж U ж Профили скорости Uфр_r и концентрации zфр_r распыленной жидко сти в поперечном сечении струи с координатой «х» на радиусе rтек можно описать зависимостями для свободных газовых струй с примесями [189]:

1 r тек, (4.7) U фр _ r U x r фр _ х r тек.

(4.8) z фр _ r z x 1 r фр _ х Недостатком полученных расчетных зависимостей является то, что все искомые параметры не зависят от времени. Зависимость между коор динатой «х» и радиусом факела распыления rфр получается сложной. Не смотря на эти недостатки, данные зависимости вполне пригодны для рас четов, используемых в инженерной практике, и могут быть рекомендова ны для применения.

4.3.1. Угол факела распыления Распылитель должен формировать зону орошения заданной конфи гурации и размеров, которая зависит от угла факела распыления. Наибо лее хорошо исследованы параметры осесимметричных струйных узлов распыления (рис. 4.7). Параметры факела распыления зависят от геомет рических характеристик каналов в узле распыления, свойств жидкости и газа. Анализ результатов экспериментов показывает, что величина угла факела распыления фр зависит от критериев: Вебера Weс, Лапласа Lpс, отношения плотностей газа и жидкости (г/ж). Эти критерии характери зуют процесс распыления жидкости [66, 83, 189-191].

Ж Г Uг Uж Факел распыления фр Hфр rфр Поперечное сечение х dор Рис. 4.7. Схема факела распыления струйного узла распыления Зависимость тангенса угла факела распыления фр от указанных кри териев имеет вид [66]:

k tg фр k 40 Wec k 41 Lpс k г, (4.9) ж где k40 – эмпирический коэффициент, характеризующий геометрические параметры узла распыления, k41, k42, k43 – эмпирические коэффициенты, характеризующие влияние свойств жидкости и газа.

Для узлов распыления с цилиндрическими каналами подачи жидко сти в работе [66] получены следующие коэффициенты k40=0,0112;

k41=0,32;

k42=0,07;

k43=0,18. Для узлов распыления с щелевыми каналами подачи жидкости коэффициенты k40=0,015;

k41=0,32;

k42=0,07;

k43=0,18.

Автором для вычисления угла факела фр предложено выражение:

tg фр k 40 Anc k 44, (4.10) где k44 –эмпирический коэффициент, характеризующий влияние свойств жидкости и газа.

Сравним размеры угла факела распыления, вычисленные по выра жениям (4.9) и (4.10) для низковязкой (воды) и вязкой (связующее) жид кости (рис. 4.8). Исходные данные для расчета:

– диаметр струи жидкости dc=0,001м;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=50…700м/с;

– скорость струи жидкости Uс=Uж=0,1м/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.

Значение эмпирического коэффициента в выражении (4.10): k44=0,55:

tg фр 0,0112 Anc 0,55. (4.11) фр, град Uг, м/с 100 200 300 400 500 Рис. 4.8. Зависимость угла факела распыления фр от скорости газового потока Uг: 1 – для низковязкой жидкости (воды) расчет по выражению (4.9);

2 – для низ ковязкой жидкости (воды) расчет по выражению (4.11);

3 – для вязкой жидкости (связующего) расчет по выражению (4.9);

4 – для вязкой жидкости (связующего) расчет по выражению (4.11) Для низковязкой жидкости (воды) результаты расчета по выражени ям (4.9) и (4.11) близки, так как влияние вязкости мало. С увеличением вязкости жидкости угол факела распыления фр становится меньше. Для вязкой жидкости (связующего) результаты расчета по выражениям (4.9) и (4.11) незначительно различаются, так как эмпирические коэффициенты k41, k42, k43 в выражении (4.9) получены для низковязкой жидкости.

Угол факела распыления фр связан с высотой факела распыления Нфр (м) и диаметром зоны орошения dор (м) выражением (рис. 4.7) [66]:

0,5 d ор tg фр. (4.12) H фр Отметим, что для осесимметричного струйного узла распыления значение угла факела распыления фр невелико. При необходимости, вне ся соответствующие изменения в конструкцию узла распыления, угол факела распыления фр может быть существенно увеличен.

4.3.2. Распределение жидкости по объему факела распыления На процесс смесеобразования большое влияние оказывает распреде ление жидкости в поперечном и в продольном сечении факела распыле ния. Распределение жидкости в факеле распыления зависит от конструк ции узла распыления и организации взаимодействия потоков жидкости и газа.

Плотность орошения. Плотность орошения – количество жидкости, падающее в единицу времени на единицу поверхности, перпендикулярной оси струи на различных расстояниях от оси струи. Плотность орошения измеряется в объемных qор(м3/(м2с)) или массовых gор(кг/(м2с)) единицах.

Рассмотрим распределение жидкости в поперечном сечении факела распы ления при диспергировании жидкости из струйного и центробежного узла распыления.

Для струйного узла распыления (рис. 4.7) плотность орошения опре делялась на основании проведенных замеров [83]. Кривые плотности орошения, полученные на разных расстояниях от выходного сечения ка нала подачи жидкости при одном и том же режиме истечения (рис. 4.9).

Все кривые имеют симметричную форму с максимумом на оси струи.

При этом по мере удаления от узла распыления происходит расширение факела распыления и, соответственно, более равномерное распределение жидкости по площади поперечного сечения.

По мере возрастания скорости потока газа форма струи получается более острой (рис. 4.10). qор_х/qор_ох или gор_х/gор_ох – отношение плотности орошения в данной точке сечения с координатой х к плотности орошения на оси факела распыления в том же сечении. С увеличением скорости истечения поток газа как бы сжимает факел распыления, что связано с эжекцией газа из окружающего пространства.

qор, м3/(м2c);

gор, кг/(м2c) x=75мм x=125мм x=200мм 100 80 60 40 20 0 20 40 60 rфр мм Рис. 4.9. Плотность орошения на различном расстоянии от выходного сечения канала подачи жидкости струйного узла распыления gор х/gор ох;

qор х/qор ох 1, 0, Uг=40м/с Uг=65м/с 0, Uг=120м/с 0, 0, 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 rфр/х Рис. 4.10. Плотность орошения на одинаковом расстоянии от выходного сечения канала подачи жидкости при различных скоростях истечения газа струйного узла распыления С ростом вязкости кривая плотности орошения становится более по логой (рис. 4.11). Распределение жидкости по сечению струи, получены на одном и том же расстоянии от выходного сечения канала подачи жид кости для двух значений вязкости жидкости при одинаковых скоростях истечения потока газа.

gор х/gор ох;

qор х/qор ох 1, 0, 1/Lp=7, 0, 1/Lp=0, 0, 0, 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 rфр/х Рис. 4.11. Плотность орошения на одинаковом расстоянии от выходного сече ния канала подачи жидкости при распылении жидкостей с различными вязкостя ми струйного узла распыления (Lp – критерий Лапласа) В отличие от струйного узла распыления (рис. 4.7), у которого мак симальная плотность орошения достигается на оси факела распыления, у центробежного распылителя (рис. 4.12) плотность орошения на оси факе ла распыления мала. По мере удаления от оси факела распыления плот ность орошения сначала возрастает, а затем, достигнув максимума, по степенно убывает (рис. 4.13). Таким образом, распределение жидкости по радиусу факела распыления зависит от параметров потоков жидкости и газа и от конструкции распылителя.

Ж Г Uг Uж Факел распыления rфр Поперечное х сечение Рис. 4.12. Схема факела распыления центробежного узла распыления qор, м3/(м2c);

g ор, кг/(м2c) x=75мм x=125мм x=200мм 100 80 60 40 20 0 20 40 60 rфр мм Рис. 4.13. Плотность орошения при различном расстоянии от выходного сечения канала подачи жидкости центробежного узла распыления А.С. Лышевским [189-191] были предложены формулы для расчета плотности орошения вдоль оси факела струйных узлов распыления при Wec=1330…20300;

Lpc=300…1350;

г/ж=0,0095…0,028:

0,25 Q 0, d Lpc Wec 0, q _ x (4.13) x d r _ x Lpc Wec 0, 2 0, exp 1930, x при Wec=1330…20300;

Lpc=300…1350;

г/ж=0,0014…0,0095:

0, 0,6 0,25 Q d Lpc Wec 0, q _ x (4.14) x d 0, r Lpc Wec 0, 0, 55,5 10 3 _ x, exp x где х – расстояние от рассматриваемого сечения до выходного сечения канала подачи жидкости, м;

rфр_x – радиус факела распыления в сечении с координатой x, м.

Автором для вычисления плотности орошения qор_х при Wec=1330…20300;

Lpc=300…1350;

г/ж=0,0095…0,028 предложено вы ражение:

0,25Q d An c k q _ x (4.15) x d r _ x Anc k exp 55,5 103, x где k45 –эмпирический коэффициент.

Сравним плотность орошения, вычисленную по выражению (4.13) и (4.15). Исходные данные для расчета:

– диаметр канала подачи жидкости dкж=0,005м;

– скорость газа изменяется в диапазоне Uг=360м/с;

– скорость струи жидкости Uс=Uж=1м/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;

Значение эмпирического коэффициента в выражении (4.15): k45=1,5:

0,25 Q d Anc 1, q _ x x d (4.16) r _ x 1, Anc exp 55,5 10 3.

x Результаты расчета по выражениям (4.13) и (4.16) близки (рис. 4.14).

С увеличением расстояния от канала подачи жидкости плотность ороше ния уменьшается.

qop, м3/(м2c) 0, 0, 0, 0, 0, 0, x, мм 50 100 150 200 Рис. 4.14. Изменение плотности орошения qор вдоль оси факела распыления х:

1 –расчет по выражению (4.13);

2 – расчет по выражению (4.16) Окружное распределение жидкости вокруг оси факела распыле ния. В некоторых технологических установках представляет интерес не только плотность орошения, но и окружная равномерность распределе ния жидкости в факеле распыления вокруг его оси, то есть распределение жидкости по площади зоны орошения (напыления).

Для измерения окружной равномерности распределения жидкости в факеле распыления применяют так называемый секторный сборник, представляющий собой сосуд, разделенный на ряд секторов, установлен ный на некотором расстоянии от выходного сечения канала подачи жид кости соосно с ним [66]. По результатам измерения количества жидкости, поступившей в каждый из секторов сборника, можно построить диаграм му распределения жидкости по окружности факела распыления. Для осе симметричного струйного узла распыления при 12-секторном сборнике можно построить диаграмму окружного распределения жидкости (рис. 4.15).

/ /3 / /6 / wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / / Рис. 4.15. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси факела распыления для осесимметричного струйного узла распыления (12-секторный сборник) Относительный объем жидкости в секторе wокр_i – отношение коли чества жидкости, поступившей в данный сектор, к среднему количеству жидкости в сборнике [66]:

V ж_i wокр _ i, (4.17) 1 n cек V ж_i i nсек где wокр_i – относительный объем жидкости в i-ом секторе;

Vж_i – объем жидкости в i-ом секторе, м3;

nсек – количество секторов, шт.

В качестве количественной характеристики окружной равномерно сти распределения жидкости в факеле распыления применяют коэффици ент неравномерности Kнер(%) [66]:

V ж _ max V ж _ min K нер 100%, (4.18) 1 ncек V ж_i nсек i где Vж_max – объем жидкости в максимально заполненном секторе, м3;

Vж_min –объем жидкости в минимально заполненном секторе, м3.

Основными причинами неравномерности распределения жидкости вокруг оси факела распыления являются различные асимметрии узла распыления, связанные с его конструкцией. Будем считать, что ось факе ла распыления проходит через центр расположения канала подачи жид кости (рис. 4.16). Асимметричные компоновки узлов распыления приме няются для более интенсивного воздействия потока газа на струю жидко сти с целью ее скорейшего распада. Наличие эксцентриситета ецк в кон струкции узла распыления приводит к смещению центра диаграммы окружного распределения жидкости от оси факела распыления (рис.

4.17).

Таким образом, изменяя компоновку узла распыления можно фор мировать факел распыления с заранее заданными параметрами распреде ления жидкости по площади зоны орошения, а, следовательно, адаптиро вать распылитель к технологическому оборудованию.

Ось факела Г распыления aщ dщ dкж Ж eцк Центр расположения щелевого сопла Центр расположения канала подачи жидкости Рис. 4.16. Асимметричная компоновка узла распыления: ецк – расстояние (эксцен триситет) между центром расположения канала подачи жидкости и центром рас положения целевого сопла подачи газа;

Г – газ;

Ж – жидкость / /3 / Центр факела распыления /6 / ецк wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, dщ dк ж / / /3 / / Рис. 4.17. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси факела распыления для асимметричного струйного узла распыления (12-секторный сборник) 4.4. Взаимодействие многофазной струи с поверхностью («зеркалом») смеси Процесс взаимодействия многофазного потока с поверхностью («зеркалом») смеси зависит от следующих основных факторов (рис. 4.1):

– степень дисперсности и концентрации капель в потоке;

– объем и число попадающих в толщу смеси газовых пузырьков;

– кинематика перемещения отдельных объемов смеси;

– температура на поверхности смеси;

– температура газа и напыляемых капель;

– давление над поверхностью смеси.

Одним из важных технологических параметров, определяющих ин тенсивность взаимодействия многофазной струи с «зеркалом» смеси яв ляется расстояние между этой поверхностью и узлом распыления. При напылении капель на поверхность смеси возможна реализация следую щих режимов взаимодействия:

1. с образованием открытого кратера на стабильной поверхности смеси;

2. с образованием открытого кратера с волнистой колеблющейся поверхностью и выносом капель смеси газовым потоком из него;

3. режим, при котором кратер теряет устойчивую параболическую форму, углубляется и начинает совершать маятниковые колебания вокруг оси струи и вращательное движение вокруг своей оси;

4. режим глубокого (по сравнению с предыдущим режимом) про никновения многофазной струи в смесь с эжекцией частиц смеси в струю, с беспорядочным образованием и движением больших газовых пузырей в смеси, с выбросом капель смеси из кратера.

Одним из определяющих параметров взаимодействия многофазной струи со смесью является давление торможения, которое имеет струя при взаимодействии с поверхностью жидкой смеси. Вместе с тем давление торможения зависит от перепада давления, нерасчетности струи пр, числа Маха на срезе сопел подачи газа Ма и координаты струи х. Глубина про никновения струи при прочих фиксированных параметрах растет с уве личением давления торможения. Для увеличения глубины проникнове ния струи в смесь требуется повышение давления перед соплом, но ввиду значительного роста выброса смеси из кратера этот путь ограничен [40, 53, 116, 118, 120, 146, 152, 159, 162].

Глубина проникания многофазной струи в смесь может быть приня та в качестве характерного размера зоны смесеобразования газодинами ческого смесителя или реактора. Глубина кратера может рассматриваться как один из показателей степени взаимодействия многофазной струи со смесью [171-173].

Не организованное должным образом взаимодействие струи с по верхностью смеси препятствует ускоренному протеканию химических реакций из-за отсутствия интенсивного подвода непрореагировавших компонентов смеси в реакционную зону и отвода продуктов из нее. Воз никают сложности с перемешиванием поверхностных и глубинных слоев смеси. Именно гидрогазодинамические факторы являются причинами физико-химической неоднородности формируемой смеси. Причины по добного поведения смеси при воздействии на нее неуправляемой сверх звуковой струей заключаются в физической природе сверхзвуковой струи, характерными чертами которой являются неоднородность и неста бильность [176, 239-242].

Сверхзвуковая струя на начальном и переходном участках имеет не равномерную, бочкообразную волновую структуру и соответствующее ей «пилообразное» распределение давления вдоль оси струи. В широком диа пазоне изменения определяющих параметров реализуется изгибно крутильная форма колебаний струи с образованием интенсивного акусти ческого поля в окружающем пространстве. Поэтому не может существо вать стационарный процесс взаимодействия струи с жидкостью на началь ном и переходном участках. Основной участок струи также колеблется с большой амплитудой, что приводит к колебаниям кратера. В процессе напыления струя возбуждает акустические колебания на разных частотах, изменяются ее газодинамические параметры, усиливаются или ослабляют ся изгибно-крутильные колебания, реализуются колебания иных типов.

Процессы, описанные для одиночной струи, характерны и для со ставных струй. Струи, истекающие из сопел многосопловых блоков, мо гут пульсировать на разных частотах, что приводит к случайному про цессу взаимодействия струй со смесью, беспорядочной смене направле ния вращения тороидальных вихрей, случайному взаимодействию вихрей друг с другом и кратеров, образованию выбросов макрообъемов смеси.

Пульсирующий, колебательный характер поведения кратера и образова ния пузырей газа на «зеркале» смеси связан как с газодинамическим и акустическим воздействием струи на смесь, так и с колебательной приро дой газовыделения при смесеобразовании.

Таким образом, выбор параметров истечения сверхзвуковой струи определяет интенсивность ее взаимодействия с поверхностью («зеркалом») смеси, то есть оказывает непосредственное влияние на однородность смеси.

4.5. Взаимодействие нескольких многофазных струй с поверхностью («зеркалом») смеси Во время напыления смеси несколькими многофазными струями при небольших значениях угла стр (стр – угол между осями струй) между ними происходит слияние кратеров с образованием общей зоны взаимо действия, которая представляет собой волнообразную поверхность смеси с кратерами. С увеличением угла стр=21…29° формируются четко раз граниченные первичные реакционные зоны – кратеры, между которыми находятся вторичные зоны – покрытые волнами участи поверхности сме си [47, 236].

Слияние кратеров сопровождается увеличением глубины общего кратера, то есть увеличивается первичная реакционная зона (рис. 4.18).

Общий кратер, образованный несколькими взаимодействующими струя ми, имеет площадь поверхности, превышающую суммарную площадь поверхностей кратеров, образованных одиночными струями, на 25…30%.

Слияние газожидкостных потоков приводит к увеличению глубины их проникновения и интенсификации перемешивания в третичной реакци онной зоне. Когда угол стр становится больше некоторого критического значения, равного стр_кр=18…19°, глубины проникновения одиночных струй уменьшаются, по сравнению с взаимодействующими струями, об разующими общий кратер [239-242].

Высокая интенсивность протекания в газодинамическом смесителе реакционных процессов обусловлена тем, что в нем обеспечивается чрез вычайно развитая поверхность контакта компонентов, поскольку при внедрении многофазных струй в смесь образуется нестабильный кратер и огромное количество жидких капель.

Подвод компонентов смеси и газа Отвод газа стр II I III Вывод смеси Рис. 4.18. Схема газодинамической операционной системы для формирования смеси с несколькими факелами распыления: 1 – корпус газодинамического сме сителя;

2 – формируемая из компонентов смесь;

3 –факел распыления;

4 – клапан отвода газа;

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

7 – кратер;

8 – волна;

I, II, III – реакционные зоны В газодинамическом смесителе реакционные процессы протекают наиболее интенсивно между каплями компонентов смеси, при их попада нии на поверхность первичной или вторичной реакционной зоны. С увели чением глубины в смеси интенсивность реакций между компонентами смеси убывает. При выбросе капель из кратера их суммарная поверхность в каждый момент смесеобразования превышает на порядок поверхность первичной реакционной зоны. Таким образом, при рассмотрении первич ной реакционной зоны следует говорить не столько о размерах и площади кратера, сколько о величине поверхности «газ–жидкость» в нем.

Для увеличения интенсивности перемешивания компонентов смеси во время смесеобразования несколькими струями, истекающими из мно госоплового блока, рекомендуется обеспечивать сопловому блоку вра щение относительно его продольной оси. При таком способе перемеши вания кратеры нестабильны, они периодически углубляются, поверх ность взаимодействия струй со смесью перемещается вслед за вращаю щимися струями. Газовые полости периодически захлопываются и взры вообразно раскрываются, при этом интенсифицируется каплеобразование в кратере и увеличивается его объем по сравнению с кратерами, образо ванными струями, истекающими из неподвижных сопловых блоков. Уве личивается также суммарная поверхность находящихся в смеси пузырь ков газа, ускоряется перемешивание смеси.

Таким образом, применение взаимодействующих сверхзвуковых струй газа позволяет резко повысить интенсивность процессов переме шивания компонентов смеси и смесеобразования.

4.6. Влияние параметров многофазной струи на процесс смесеобразования в кратере При взаимодействии сверхзвуковой многофазной струи газа с жид костью образуется кратер, конусообразной формы с неровными стенка ми, который периодически углубляется. Амплитуда этих колебаний глу бины кратера составляет 20…30% от среднего значения, частота их 5… Гц. Кроме того, при подаче газа через одиночное сопло кратер вращается вокруг оси сопла со скоростью 1 оборот за 2…3с. При подаче газа через многосопловой блок кратер совершает крутильные колебания вокруг центральной оси соплового блока с частотой 0,5…1Гц. Сочетание враще ния кратера и колебаний его вглубь жидкости приводит к тому, что в жидкости от кратера отделяются газовые пузыри, которые увеличивают ся за счет находящихся под поверхностью кратера пузырьков и впослед ствии прорываются в кратер, выбрасывая из него облако капель жидко сти [132, 236, 239-242].

Таким образом, при пульсирующей подаче газа образуется колеба тельная система «кратер – многофазная струя» с резонансной частотой 4…6 Гц, действие которой внешне проявляется в выносах и выбросах жидкости из кратера. Для обеспечения спокойного режима перемешива ния и уменьшения в ходе него выбросов жидкости необходимо вывести эту систему из резонанса. Это достигается при подаче газа струей, пуль сирующей с частотой намного больше частоты автоколебаний – на сотни герц, под воздействием которой кратер с той же частотой совершает ко лебания вглубь жидкости, характеризующиеся намного меньшей ампли тудой. Пульсирующая подача газа изменяет режим вращения кратера, угловая скорость которого при такой подаче газа увеличивается. В ре зультате чего при частотах в 100…200Гц кратер вращается вокруг оси соплового блока, то есть происходит локализация реакционной зоны и стабилизация режима перемешивания в целом.

Интенсивность реакционного процесса определяется размерами ре акционных зон – величиной поверхностей контакта «газ–жидкость». Раз мер и форма реакционной зоны изменяется с ростом давления подачи газа, поступающего через одиночное сопло (рис. 4.19). При давлениях ро=0,2…0,3МПа на поверхности жидкости образуется неглубокий кратер, в котором находится сравнительно небольшое количество капель и лишь отдельные их них вылетают за пределы первичной реакционной зоны.

а б)б) Рис. 4.19. Схемы взаимодействия многофазной струи с жидкостью (смесью) при давлении: а – ро=0,4…0,6МПа;

б – ро=1,0…1,3МПа Газовые пузырьки располагаются тонким слоем под весьма спокойной поверхностью кратера. Однако в этом случае перемешивание жидкости осуществляется фактически за счет естественной конвекции, что означает весьма медленное течение процесса в целом. Повышение давления до ро=0,4…0,6МПа приводит как к значительному заглублению кратера вглубь жидкости, так и к резкому увеличению количества находящихся в нем капель, а также толщины слоя жидкости, в котором взвешены газовые пузыри, находящиеся под поверхностью кратера (рис. 4,19, а). Кроме того, поверхность кратера колеблется с частотой 3…5 Гц, что интенсифицирует перемешивание жидкости в целом. При давлении ро=0,6…0,8МПа размеры кратера увеличиваются, и он начинает периодически углубляться в жид кость, что увеличивает первичную реакционную зону. Наряду с этим, пло щадь межфазной границы «газ–жидкость» в ней возрастает за счет умень шения капель, которые при таком режиме подаче газа образуются, как от рываясь с внутренней поверхности кратера, так и с гребня окружающей его кольцевой волны. Во вторичной реакционной зоне, окружающей кратер, происходит интенсивное движение волн и газовых пузырей, которое обес печивает активное перемешивание жидкости. Также интенсифицируются процессы в третичной реакционной зоне, то есть в нижележащих слоях жидкости. В эти слои в результате колебаний кратера прорываются круп ные газовые пузыри. Дальнейшее увеличение давления до ро=1,0…1,2МПа приводит к тому, что помимо увеличения в размерах и периодических ко лебаний в глубину, кратер вращается вокруг оси соплового блока. Сочета ние вращения кратера с колебаниями в глубину приводит к тому, что крупные газовые объемы оказываются отрезанными от основного кратера слоями жидкости. Они быстро увеличиваются в размерах за счет слияния с окружающими их многочисленными газовыми пузырями из вторичной реакционной зоны, а затем прорываются в кратер, выбрасывая с собой зна чительное количество капель жидкости, что приводит к резкой интенсифи кации процессов перемешивания и смесеобразования (рис. 4.19, б).

Процесс формирования капель происходит в результате воздействия следующих сил: динамического удара газового потока о поверхность жидкости, поверхностного натяжения и динамической вязкости жидко сти, образующих колебательную системы «газовая струя–кратер», напо минающую резонатор Гартмана. Однако в отличие от полости резонатора кратер постоянно изменяет свои размеры, а количество входящих и вы ходящих из него газов неодинаковы, следовательно, существующие по луэмпирические математические выражения, описывающие автоколеба тельный процесс, в данном случае непригодны. Для наиболее эффектив ного диспергирования жидкости, обеспечения мельчайшего фракционно го состава капель и максимально развитой поверхности контакта «жид кость–газ» необходимо ввести эту колебательную систему в резонанс.

Экспериментально установлено, что диспергирование низковязких жид костей на капли происходит наиболее эффективно при частотах пульса ций газа в диапазоне 800…1000Гц.

Таким образом, применение пульсирующего потока газа позволяет существенно интенсифицировать перемешивание жидкости, увеличить эффективную поверхность контакта «жидкость–газ», а, следовательно, повысить эффективность процессов смесеобразования.

4.7. Процессы в пограничном слое над поверхностью смеси Интенсивное взаимодействие газового потока с поверхностью жид кости наблюдается не только в первичной реакционной зоне кратере, но и на незанятой кратерами поверхности жидкости. Во вторичной реакци онной зоне также происходит интенсивный тепло- и массообмен между газокапельным потоком и смесью.

При взаимодействии газового потока с поверхностью («зеркалом») смеси газ отражается от нее, создавая течения жидкости в поверхностном слое, волны. При этом формируется двухфазный пограничный слой, имеющий толщину пс. В зависимости от скорости газа над поверхностью смеси по верхностный слой может иметь различную структуру (рис. 4.20). При ма лой скорости потока газа поверхность жидкости не возмущена, волны от сутствуют (рис. 4.20, а). С увеличением скорости потока газа на поверхно сти жидкости возникает пленка, которая имеет слабоволнистую поверх ность (рис. 4.20, б), с ростом скорости газа возрастает амплитуда и сокра щается длина волн. При больших скоростях газового потока на поверхно сти пленки образуются пространственные «штормовые» волны (рис. 4.20, в). С дальнейшим ростом скорости резко интенсифицируется срыв капель, в пограничном слое возникают газовые пузыри (рис. 4.20, г).

Газокапельный Газокапельный а) б) поток поток Uпс Uпс пс пс Поверхность Поверхность смеси смеси Волна Жидкость Пленка Жидкость Газокапельный Газокапельный в) г) поток поток Uпс Uпс пс пс Поверхность Поверхность смеси смеси Капля Волна Волна Пленка Жидкость Пузырь Пленка Жидкость крупная Рис. 4.20. Схемы взаимодействия потоков жидкости и газа в поверхностном слое смеси при увеличении скорости газового потока Пограничный слой характеризуется интенсивным межфазным взаи модействием в условиях активного проявления вязкости, сопровождаю щимся процессами переноса массы, импульса и тепла. Эти процессы реа лизуются в условиях ламинарного, турбулентного или смешанных режи мов течения [132].

4.8. Оптимальная расстановка распылителей в технологическом оборудовании В технологическом оборудовании может быть установлено большое число параллельно работающих распылителей. При проектировании такой сложной ГОС возникает задача оптимального размещения распылителей таким образом, чтобы равномерно распределить напыляемые компоненты смеси по зоне орошения (напыления) аппарата [66, 152, 203-205].

Максимальная равномерность нанесения компонентов смеси дости гается при выполнении следующих условий:

– компоненты наносится на всю заданную зону напыления, состоя– щую из частично перекрывающих друг друга пятен напыления;

– взаимное перекрытие пятен напыления минимально;

– количество компонентов смеси, выпадающих на стенки аппарата минимально.

Для оценки качества нанесения связующего на зону напыления вве дем коэффициент избыточного напыления Kн [205]:

S пн, (4.19) Kн S пу где Sпн – суммарная площадь зоны напыления, состоящая из частично перекрывающих друг друга пятен напыления от всех распылителей, установленных в аппарате, м2;

Sпу – площадь сечения аппарата на уровне зоны напыления, м2.

Оптимальная расстановка распылителей определяется размерами и формой зоны напыления, что в свою очередь обуславливает конфигура цию аппарата. Таким образом, возможны следующие схемы оптимально го расположения распылителей: кольцевая, щелевая, круговая, прямо угольная, треугольная.

Кольцевая схема. Кольцевая схема расстановки распылителей предполагает, что они расположены равномерно на одной окружности через угол рас (рис. 4.21). Максимальная равномерность нанесения ком понентов смеси достигается в зоне напыления, представляющей собой кольцо, ограниченное точками пересечения пятен напыления, с размера ми dнар и dвн. При этом желательно, чтобы наружный диаметр зоны напы ления совпадал с внутренним диаметром аппарата dнар=dпу. Коэффициент избыточного напыления Kн1 для кольцевой схемы расстановки распыли телей можно найти из выражения [205]:

d нар d нар 1 d вн n рас d вн, (4.20) tg K н1 n d нар 4 d нар рас d 1 d вн вн где nрас – число распылителей, шт;

dнар – наружный диаметр зоны напы ления, м;

dвн – внутренний диаметр зоны напыления, м;

=3,14.

Оптимальное число распылителей nрас соответствует минимальному значению коэффициента избыточного напыления Kн1. Значение коэффици ента избыточного напыления Kн1 зависит от числа распылителей nрас и раз меров зоны напыления dнар/dвн, при кольцевой схеме минимально дости жимое значение коэффициента избыточности напыления Кн1=0,5=1,57.

Например, для зоны напыления с размерами dнар=0,5м и dвн=0,18м опти мальное число распылителей nрас.опт=8 (рис. 4.22).

dнар dпу dр рас Стенка аппарата dпн Пятно напыления Точки пересечения пятен напыления dвн Область взаимного перекрытия пятен напыления Рис. 4.21. Кольцевая схема: dпу – внутренний диаметр аппарата;

dнар – наружный диаметр зоны напыления;

dр – диаметр расстановки распылителей;

dпн – диаметр пятна напыления;

dвн – внутренний диаметр зоны напыления;

рас – угол расста новки распылителей Кн 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 4 5 6 7 8 9 10 11 nрас, шт Рис. 4.22. Зависимость коэффициента избыточного напыления Кн от числа распылителей nрас при кольцевой схеме расстановки Определим основные параметры аппарата (рис. 4.23). Диаметр рас становки распылителей dр (м) вычисляют по выражению [205]:

0,5 d нар d вн. (4.21) dр cos n рас Наименьшее перекрытие пятен напыления обеспечивается при dпн, м [205]:

d пн d р d нар d вн. (4.22) Распылитель Факел распыления Н фр фр Аппарат н dп рас dвн d пу dр d нар Рис. 4.23. Основные параметры аппарата Щелевая схема. Щелевая схема установки распылителей применя ется при обработке изделий, у которых длина значительно превышает ширину. В щелевом аппарате распылители расположены по середине щели, вдоль изделия. Щелевая схема является придельным случаем коль цевой схемы, когда dp, при этом минимальный коэффициент избы точного напыления для щелевой схемы расстановки распылителей Kн2=0,5=1,57. В этом случаи расстояние между распылителями равно ширине щели Xщ(м), диаметр пятна напыления dпн=1,57Хщ (рис. 4.24).

dпн Область взаимного перекрытия пятен напыления Стенка аппарата Пятно напыления Хщ Точки пересечения пятен напыления Хщ Рис. 4.24. Щелевая схема: Хщ – ширина щели аппарата Круговая схема. Если площадь зоны напыления невелика, то распы лители целесообразно установить на одной или нескольких концентриче ских окружностях вокруг центрального распылителя. Для круговой схемы расположения распылителей на одной окружности (рис. 4.25) коэффициент избыточности напыления Кн3 определяют по выражению [205]:

n1рас 1, (4.23) K н3 4 cos 2 n рас где n1рас – число распылителей расположенных на окружности вокруг центрального распылителя, шт.

Минимальное значение коэффициента избыточности напыления Кн соответствует оптимальному числу распылителей расположенных на окружности вокруг центрального распылителя n1рас.опт=8 (рис. 4.26). При этом общее число распылителей nрас=n1рас+1;

dпн=0,414dнар;

dр=1,848dпн.

Коэффициент избыточности напыления Кн4 при круговой схеме рас становки распылителей по двум концентрическим окружностям (рис. 4.27) определяют по выражению [205]:

3 n1рас,(4.24) K н4 2 0, cos 1 4 cos2 sin 4cos2 2 n n 2 n n 1рас 1рас 1рас 1рас где n1рас – число распылителей расположенных на первой окружности вокруг центрального распылителя, шт.

dпн dнар dпу dр рас Стенка аппарата Пятно напыления Точки пересечения пятен напыления Окружность расстановки распылителей Область взаимного перекрытия пятен напыления Рис. 4.25. Круговая схема расстановки распылителей по одной окружности Кн 4, 3, 2, 1, 4 5 6 7 8 9 10 11 n1рас, шт Рис.4.26. Зависимость коэффициента избыточного напыления Кн3 от числа распылителей nрас при круговой схеме расстановки по одной окружности dпн dнар dр2 dпу dр Стенка аппарата Первая окружность расстановки распылителей Пятно напыления Точки пересечения пятен напыления Вторая окружность расстановки распылителей Область взаимного перекрытия пятен напыления Рис. 4.27. Круговая схема расстановки распылителей по двум окружностям Минимальное значение коэффициента избыточности напыления Кн соответствует оптимальному числу распылителей расположенных на первой окружности вокруг центрального распылителя n1рас.опт= (рис. 4.28). При этом общее число распылителей nрас=n1рас+2n1рас+1;

dпн=0,26dнар;

dр1=0,468dпн;

dр2=0,844dпн.

Кн 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 4 5 6 7 8 9 10 11 n1рас, шт Рис. 4.28. Зависимость коэффициента избыточного напыления Кн4 от числа распылителей nрас при круговой схеме расстановки по двум окружностям Круговая схема с расстановкой распылителей по двум концентриче ским окружностям несколько выгоднее чем расстановка распылителей по одной окружности Кн3Кн4. Дальнейшее усложнение ГОС за счет увели чения числа концентрических окружностей более двух не дает ощутимо го эффекта и приводит лишь к снижению надежности системы.

Прямоугольная и треугольная схема. Для аппаратов больших раз меров, независимо от формы их сечения, возможны два простых способа расстановки распылителей. Первый способ заключается в расстановке распылителей в узлах прямоугольной сетки со сторонами ячейки арас=dпнcosрас;

bрас=dпнsinрас (рис. 4.29). Второй способ – в узлах тре угольной сетки, то есть в вершинах равнобедренных треугольников с основанием gрас=dпнsinрас и высотой hрас=dпнcos2(0,5рас) (рис. 4.30).

При прямоугольной схеме расстановки распылителей коэффициент избыточности напыления Кн5 вычисляют по выражению [205]:

. (4.25) K н 4 sin рас cos рас Коэффициент избыточности напыления Кн5 будет минимальным при рас=0,25=45, Кн5=1,57, то есть прямоугольная сетка превращается в квадратную (рис. 4.29).

рас dпн Область взаимного перекрытия пятен напыления Стенка аппарата Пятно напыления bрас Точки пересечения пятен напыления f пн aрас Bап Рис. 4.29. Прямоугольная схема расстановки распылителей рас dпн Область взаимного перекрытия пятен напыления Стенка аппарата gрас Пятно напыления Точки пересечения пятен напыления f пн hрас Bап Рис. 4.30. Треугольная схема расстановки распылителей При треугольной схеме расстановки распылителей коэффициент из быточности напыления Кн6 вычисляют по выражению [205]:

. (4.26) K н 2 sin рас sin 2 рас Коэффициент избыточности напыления Кн6 будет минимальным при рас=/3=60, Кн6=1,21, то есть треугольная сетка состоит из равносторон них треугольников (рис. 4.30).

Таким образом, треугольная схема расстановки распылителей по сравнению с прямоугольной более эффективна, так как Кн6Кн5.

В обеих схемах размеры сечения аппарата зависят от диаметра пятна напыления dпн. Ширина аппарата Bап (м) (рис. 4.29, 4.30) [205]:

f пн Bап N рас 1 mрас d пн 1, (4.27) 0,5 d пн где Nрас – число рядов распылителей, шт;

mрас – расстояние между рядами (mрас=aрас для прямоугольной схемы;

mрас=hрас для треугольной схемы), м;

fпн – часть диаметра пятна напыления, отсекаемая стенкой аппарата, м.

Для повышения качества напыления в аппаратах больших размеров заданное сечение аппарата разбивают на зоны. Для каждой зоны в соот ветствии с одной из рассмотренных выше схем рассчитывают расстанов ку распылителей, имеющих необходимую дисперсность капель.

4.9. Эффективность газодинамической операционной системы СГМР в полной мере может быть отнесен к инновационным техноло гическим методам. Его внедрение в производство обеспечивает качествен ный рост эффективности процессов диспергирования и перемешивания, повышает однородность формируемых смесей. Практическая реализация этого метода осуществляется с помощью ГОС. Элементы ГОС интегриру ются в существующий технологический процесс, предложенный метод имеет высокую технологическую гибкость. В зависимости от свойств пе рерабатываемых компонентов смеси выбирают способ СГМР и адаптиру ют его с учетом специфики конкретного производственного цикла.

ГОС обеспечивает высокую эффективность производства, так как технологические операции диспергирования, перемешивания и гомоге низации осуществляются в ней как технологические переходы одной операции. По сравнению с механическими методами формирования сме сей, такая концентрация операций обеспечивает высокую производи тельность, значительно сокращает затраты времени, материальных ре сурсов. Таким образом, внедрение СГР в производственный процесс дает возможность производить максимальный объем продукции приемлемого качества с минимальными затратами.

Прогрессивность ГОС заключается в обеспечении высокого техно логического уровня производства, который складывается из следующих компонентов:

– уровень технологического воздействия в ГОС характеризуется воздействием сверхзвукового газового потока на незначительный объем жидкости, истекающий в конкретный момент времени из канала подачи жидкости, что делает процесс распыления энергетически эффектив ным (при механическом перемешивании воздействуют на весь объем смеси).

– уровень технологической интенсивности в ГОС весьма высок, так как значительный объем готовой смеси может быть получен за незначи тельный промежуток времени.

– уровень технологической управляемости ГОС характеризуется ее гибкостью, возможностью изменения технологических параметров под воздействием внешних условий с целью максимальной эффективно сти.

– уровень технологической организации ГОС характеризуется непрерывностью процесса формирования смеси, безотходностью процес са.

– уровень адаптации ГОС характеризуется возможностью ее функ ционирования в заданном режиме во взаимосвязи с уже существующим производством и окружающей средой.

4.10. Анализ газодинамической операционной системы ГОС – технологическая система, предназначенная для формирова ния смесей газодинамическим распылением. К организации струк туры ГОС существует два подхода: совмещенный и дифференцирован ный.

1. Совмещенный подход реализует последовательность «исходные компоненты смеси нереакционноспособная композиция распыле ние, перемешивание и гомогенизация в газовом потоке однородная смесь».

2. Дифференцированный подход реализует последовательность «ис ходные компоненты смеси распыление, перемешивание и гомогениза ция в газовом потоке реакционноспособная композиция однородная смесь».

Процесс смесеобразования в ГОС состоит из двух этапов.

1. Формирование дисперсной системы с газовой дисперсной средой (распыление компонентов смеси). Ключевым звеном ГОС является узел распыления, от конструкции которого зависят параметры факела распы ления. Компоновка узла распыления может быть осесимметричной и асимметричной. Параметры дисперсной системы с газовой дисперсной средой обуславливаются параметрами факела распыления: угол факела распыления, плотность орошения, окружное распределение жидкости вокруг оси факела распыления. Существенное влияние на параметры фа кела распыления оказывает компоновка узла распыления.

2. Формирование дисперсной системы с жидкой дисперсной средой суспензий, паст, эмульсий пен (перемешивание компонентов смеси). Ре жим взаимодействия многофазного потока с поверхностью смеси имеет большое влияние на процесс смесеобразования и определяется также па раметрами факела распыления. Основная доля распыленных компонен тов смеси взаимодействует между собой в поверхностном слое смеси, поэтому процессы в этой области также влияют на качество формируе мой смеси.

Предложены схемы оптимального расположения распылителей в ап парате: кольцевая, щелевая, круговая, прямоугольная, треугольная.

Прогрессивность ГОС заключается в обеспечении высокого техно логического уровня производства.

Вывод. Высокая эффективность ГОС достигается за счет совме щения технологических операций диспергирования (распыления), перемешивания компонентов смеси и их гомогенизации в факеле распы ления.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ УЗЛОВ РАСПЫЛЕНИЯ С МНОГОСТРУЙНОЙ ПОДАЧЕЙ ГАЗА 5.1. Принципиальные конструктивные решения узлов распыления Большее влияние на размеры образующихся при распылении капель оказывает конструкция узла распыления. В зависимости от свойств распы ляемых композиций используют узлы распыления внешнего и внутреннего перемешивания, то есть композицию подают в поток газа на выходе из узла распыления или внутри него (рис. 5.1) [60, 120, 135, 194, 200].

а) Жидкость (композиция) Газ 1 б) в) 1 ецк 2 1 Рис. 5.1. Компоновки узлов распыления: а – с внутренним перемешиванием;

б – осесимметричная с внешним перемешиванием;

в – асимметричная с внешним перемешиванием;

1 – канал подачи газа;

2 – канал подачи жидкости (композиции) Узел распыления внутреннего перемешивания (рис. 5.1, а) представ ляет собой корпус с коническим соплом или соплом Лаваля, в расширя ющейся части которого выполнены отверстия для подачи жидкости, по центральному каналу подают газ. Перемешивание жидкости и газа про исходит внутри узла распыления, причем подача жидкости осуществля ется под углом к потоку газа. Данное конструктивное решение имеет ряд недостатков. При данной компоновке затруднительно использовать вяз кую жидкость, особенно содержащую твердые частицы. Трудно органи зовать при данной конструкции подачу в факел распыления нескольких компонентов смеси независимо друг от друга. Во время эксплуатации возможно засорение каналов подачи жидкости и самого сопла. Для устранения засорения необходимо остановить работу, разобрать узел распыления и промыть его, что очень неудобно [203-205].

Ряд недостатков присущих узлам распыления с внутренним переме шиванием жидкости и газа был устранен в узлах распыления с внешним перемешиванием (рис. 5.1,б, в). При внешнем перемешивании жидкость подают в поток газа за пределами узла распыления, что исключает его за сорение. Канал подачи газа может быть выполнен осесимметрично или асимметрично относительно канала подачи жидкости. Осесимметричная компоновка узла распыления представляет собой канал подачи газа в виде кольцевой щели, охватывающей канал подачи жидкости (рис. 5.1,б). При асимметричной компоновке узла распыления канал подачи газа выполнен в виде серповидной щели, охватывающей канал подачи жидкости (рис. 5.1,в). Такие компоновки узлов распыления технологичны, возможна подача в факел распыления сразу нескольких компонентов или компози ций приготавливаемой смеси. Недостатком узлов распыления с щелевыми соплами подачи газа является трудность получения сверхзвукового режима истечения газа, что не позволяет получать капли высокой дисперсности при распылении вязких композиций.

Узлы распыления с многоструйной подачей газа (рис. 5.2) имеют ряд преимуществ по сравнению с представленными на рис. 5.1.

а) б) 2 2 2 ецк 3 1 1 dсг dсг в) г) 2 2 2 ецк 3 1 1 dсг2 dсг1 dсг2 dсг Жидкость (композиция) Газ Рис. 5.2. Компоновки узлов распыления с многоструйной подачей газа: а – осе симметричная, однорядная;

б – асимметричная, однорядная;

в – осесимметричная двухрядная;

г – асимметричная, двухрядная;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

1 – канал подачи газа;

2 – канал подачи жидкости;

3 – сопло Многоструйная подача газа в факел распыления позволяет организо вать развитую систему скачков уплотнения. Взаимодействие одиночных сверхзвуковых струй приводит к появлению новых скачков уплотнения, проходя которые капли жидкости подвергаются интенсивному дробле нию. Использование этого эффекта позволяет значительно увеличить дисперсность образующихся капель. Жидкость подают по каналу, распо ложенному между струями газа. Газ вытекает из каналов в виде системы сверхзвуковых струй, расположенных по окружности (или дуге окружно сти). Сопла подачи газа могут быть расставлены в узле распыления отно сительно канала подачи жидкости произвольным образом. При необходимости число каналов подачи жидкости может быть увеличено, то есть подача жидкости может осуществляться спреерно. Расстановкой каналов подачи жидкости относительно каналов подачи газа можно влиять на параметры факела распыления (форма зоны орашения, плотность орошения, окружное распрелеление жидкости относительно оси узла распыления). Для повышения эффективности диспергирования в узле распыления сопла подачи газа могут быть расположены в несколько рядов относительно канала подачи жидкости (рис. 5.2,в,г). При однорядном расположении сопла распологаются на одинаковом удалении от центра на диаметре dсг. При многорядном расположении можно найти эквивалентный диаметр расположения сопел по формуле:

1 nокр d сг d сг _ i, (5.1) nокр i где dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа, м;

nокр – число окружностей, на которых расположены сопла подачи газа, шт.

Выводы. Многоструйная подача газа в факел распыления делает ГОС гибкой, позволяет изменять технологические режимы распыления в широком диапазоне параметров. В зависимости от целевого назначения узла распыления (распыление, перемешивание в потоке газа, напыление, пропитка арматуры композиционного материала связующим) и свойств композиций, можно выбрать наиболее эффективную компоновку узла распыления, на базе которой можно организовать рациональную ГОС.

Такая ГОС будет наилучшим образом подходить для формирования кон кретной смеси.

5.2. Экспериментальные установки для исследования узлов распыления с многоструйной подачей газа Автором было проведено исследование узлов распыления с много струйной подачей газа. Основные задачи исследования.

1. Опробование различных компоновок узлов распыления с много струйной подачей газа и определение режимов устойчивого распыления жидкостей сверхзвуковыми струями газа.

2. Определение конфигурации зоны напыления (орошения) и рас пределения жидкости по ней для различных компоновок узлов распыле ния с многоструйной подачей газа.

3. Опытное определение размеров капель, образовавшихся в процес се распыления жидкости в сверхзвуковом факеле распыления.

4. Определение влияния расстояния между соплами подачи газа и каналом подачи жидкости на дисперсность капель жидкости.

Экспериментальная установка (рис. 5.3) для определения конфигу рации зоны орошения и распределения жидкости по ней представляет собой штатив 2, установленный на основании 1 (рис. 5.3, а). На штативе на определенной высоте Нфр установлен узел распыления 3, в который подают жидкость из емкости 4. В эксперименте узел распыления 3 уста навливали на высоте Нфр=500;

600;

700;

800;

900;

1000мм. Чтобы выявить распределение жидкости по зоне орошения на основание 1 устанавливали 12-ти секционный сборник 5 (рис. 5.3, б).


а) б) А-А / I /3 / 4 Центр сборника /6 10 Ж / Г 12 II 0 II wокр 1 /6 / I /2 / / А-А I в) H фр А А Центр сетки 5 II II I Рис. 5.3. Схема экспериментальной установки для определения конфигурации зоны орошения и распределения жидкости по ней: а – общий вид установки (1 – основание;

2 – штатив;

3 – узел распыления;

4 – резервуар с жидкостью;

5 – 12-секционный сборник;

Ж – жидкость;

Г – газ);

б – 12-ти секционный сбор ник;

в – лист с координатной сеткой;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость Наружный диаметр секционного сборника 500мм. Центр секционно го сборника 5 совмещают с осью канала подачи жидкости в узле распы ления 3 с помощью лазерной указки. Для определения конфигурации зоны орошения на основание 1 накладывают лист с координатной сеткой (рис. 5.3, в), центр которого также выставляют относительно узла распы ления с помощью лазерной указки. Габариты листа с координатной сет кой 500500мм. Для ориентации асимметричных узлов распыления отно сительно секционного сборника и листа с координатной сеткой введены продольная плоскость I-I и поперечная плоскость II-II (рис. 5.3, б,в).

Экспериментальная установка для определения дисперсности капель представляет собой аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью (рис. 5.4). Воздух, накапливаемый компрессором типа ЭК15, собирается в баллоны 2 высокого давления, суммарный объем которых составляет 20м3. Из баллонов 2 через запорные вентили 3 воздух подается в ресивер 4. С помощью специального регулятора 5, предназначенного для управ ления режимом работы аэродинамической трубы, в ресивере 4 поддер живается необходимое давление. Исследуемые узлы распыления 6 уста навливают на выходе из ресивера 4. Резервуар 7 с жидкостью закреплен на кронштейне и шлангом связан с каналом подачи жидкости в узле рас пыления 6. Вставки в канале подачи жидкости узла распыления 3 позво ляют изменять диаметр dкж=1;

1,5;

2,0;

2,5;

3,0мм. На узле распыления устанавливались сопла подачи газа с диаметром критического сечения dкр=1мм. Давление подачи газа ро=0,8МПа. Фотоаппарат 9 монтируют на координатном столике 8, установленном перед выходом аэродинамиче ской трубы. Для фотографирования двухфазных струй использовался фотоаппарат фирмы Canon. При микрофотографировании капель на фо тоаппарат надевалась специальная насадка, снабженная сменными лин зами. Теневой прибор ИАБ-451, установленный на координатном столике 8 в рабочей зоне трубы, позволяет наблюдать за качественной картиной истекающих двухфазных струй и производить их фотографирование, а также при микрофотографировании позволяет получать четкое изобра жение капель.

В качестве распыляемой жидкости в опытах использовались:

– окрашенная вода (динамическая вязкость ж=0,001Па·с при темпе ратуре Т=205С, поверхностное натяжение =0,0073Н/м, плотность ж=1000кг/м3);

– связующее ЭДТ-10 (динамическая вязкость ж=0,05Па·с при тем пературе Т=455С, поверхностное натяжение =0,04Н/м, плотность ж=1100кг/м3).

Г 7 3 Ж 6 8 Г Рис. 5.4. Схема экспериментальной установки для определения дисперсности капель: 1 – воздух от компрессоров;

2 – баллоны для воздуха;

3 – вентиль;

4 – ресивер;

5 – регулятор давления;

6 – узел распыления;

7 – резервуар с жидкостью;

8 – координатный стол;

9 – фотоаппарат 5.3. Устойчивость процесса распыления Устойчивость процесса распыления – способность организовать стабильный факел распыления при подаче в него с определенными пара метрами потоков жидкости и газа.

Пространственное положение узла распыления оказывает суще ственное влияние на стабильность факела распыления, особенно это зна чимо для асимметричных компоновок. На экспериментальной установке для определения дисперсности капель узел распыления устанавливается в горизонтальное положение (рис. 5.4). При асимметричной компоновке на устойчивость процесса распыления оказывает влияние расположение сопел подачи газа относительно канала подачи жидкости. В эксперимен те распыление проводилось из узла распыления с серповидной компо новкой в трех позициях, при положении сопел подачи газа (воздуха) от носительно канала подачи жидкости снизу, сбоку, сверху (рис. 5.5).

При достаточно большом количестве сопел подачи газа изменение их положения относительно канала подачи жидкости на процесс распы ления оказывает несущественное влияние. При нахождении сопел подачи газа внизу по отношению к каналу подачи жидкости струя жидкости под действием собственного веса отклоняется в сторону сверхзвуковых струй (рис. 5.5, а). Поэтому расстояние между соплами подачи газа и каналом подачи жидкости значительного влияния на процесс распыления не ока зывает. В положении, когда сопла подачи газа находятся сбоку или свер ху (рис. 5.5, б, в), то есть сила тяжести, действующая на струю жидкости, направлена вниз, эжекционная способность сверхзвуковых струй настолько велика, что струя жидкости увлекается сверхзвуковым пото ком. Однако, при недостаточном количестве сопел подачи газа, или при большом расстоянии между ними и каналом подачи жидкости процесс распыления может становиться неустойчивым.

а) б) в) 2 2 1 Рис. 5.5. Положения сопел подачи газа относительно канала подачи жидкости (серповидная компоновка узла распыления): а – снизу;

б – сбоку;

в – сверху;

1 – канал подачи жидкости;

2 – сопло подачи газа На фотографиях газодинамического факела распыления отчетливо видны многочисленные скачки уплотнения, возникающие в результате взаимодействия сверхзвуковых струй газа (рис. 5.6). Здесь представлены фотографии факелов распыления, которые иллюстрируют устойчивость процесса распыления при различных положениях сопел подачи газа от носительно канала подачи жидкости.

Рис. 5.6. Сверхзвуковой факел распыления: неустойчивое распыление, 5 сопел подачи газа сверху относительно канала подачи жидкости (фотография слева);

устойчивое распыление, 19 сопел подачи газа сбоку относительно канала подачи жидкости (фотография справа) Процесс распыления может быть устойчивым при определенном минимальном расходе газа, если сопла, через которые он подается, рас положены оптимально. В эксперименте изменялось число сопел подачи газа nc=3…21, то есть постепенно увеличивался расход газа Qг. Диаметр критического сечения сопла dкр=1мм, при этом расход газа через одно сопло составляет Qг=14·10-5м3/с, число Маха на срезе сопла Ма=1,5. Ва рьировался диаметр канала подачи жидкости dкж=1;

2;

3;

4;

5мм, при этом расход жидкости составлял Qж=1,5710-6;

6,2810-6;

1,4110-5;

2,5110-5;

3,9310-5м3/с соответственно. Проводилось распыление жидко стей различной вязкости: воды (ж=0,001Пас) и связующего ЭДТ-10 (ж=0,050Пас). Устойчивость процесса распыления зависит от соотношения расходов жидкости и газа или начальной концентрации жидкости в многофазной струе zж:

zж = Qж/Qг. (5.2) При небольшом числе сопел 3…9 процесс распыления проходил устойчиво только при положении сопел подачи газа снизу (рис. 5.5, а). При положении сопел сбоку процесс распыления проходил нерегулярно, рас пылялась незначительная часть жидкости, эжектируемая струями газа (рис. 5.5, б). Положение сопел подачи газа сверху относительно канала подачи жидкости (рис. 5.5, в) является самым неблагоприятным положени ем для распыления. При небольшом числе сопел подачи газа струя жидко сти отклонялась вниз под действием силы тяжести и не распылялась.

Устойчивость процесса распыления также зависит от вязкости жидкости, чем выше вязкость, тем сложнее организовать стабильный факел распыле ния. В случае расположения сопел подачи газа сверху относительно канала подачи жидкости для струи низковязкой жидкости (воды) устойчивое рас пыление наступает при числе сопел nс=5…9 в зависимости от расхода жидкости (диаметра канала подачи жидкости dкж=1…5мм) (рис. 5.7).

zж 0, Распыления нет (вода) Распыления нет (связующее) 0, dкж=4мм dкж=5мм dкж=3мм 0, dкж=2мм 0, dкж=1мм 0, 3 5 6 7 8 9 4 11 12 nc, шт Рис. 5.7. Зависимость начальной концентрации жидкости в струе zж от числа сопел подачи газа пс при различном диаметре канала подачи жидкости dкж Устойчивое распыление вязкой жидкости (связующего) наступает при большем числе сопел подачи газа пс=9…13, при том же расходе жид кости (диаметре канала подачи жидкости dкж). На графике рис. 5.7 обла сти неустойчивого распыления заштрихованы.

Выводы. Устойчивость процесса распыления зависит от соотношения расходов жидкости и газа или начальной концентрации жидкости в много фазной струе zж. Для асимметричных компоновок важно положение сопел подачи газа относительно канала подачи жидкости, особенно при горизон тальном расположении распылителя. При самом неблагоприятном поло жении (сопла подачи газа сверху канала подачи жидкости) узла распыле ния с серповидной компоновкой устойчивый процесс распыления воды наблюдается при числе сопел подачи газа nс5…9, связующего – nс9…13, в зависимости от диаметра канала подачи жидкости dкж.

5.4. Влияние компоновки узла распыления с многоструйной подачей газа на параметры факела распыления Параметры факела распыления зависят от распределения газового потока относительно потока жидкости. Необходимое распределение жидкости по сечению факела распыления можно получить, изменяя рас положение сопел подачи газа относительно канала подачи жидкости.

Экспериментальное исследование узлов распыления осесимметричной и асимметричной компоновки проводилось по следующей схеме. Узлы рас пыления 3 закрепляли на штативе 2 на различной высоте Нфр=500…1000мм с шагом 100мм от основания 1 (рис. 5.3). Сначала на основание 1 на высоте Нфр=500мм устанавливался 12-ти секционный сборник (рис. 5.3, б) для нахождения окружного распределения жидкости вокруг оси факела распы ления, который совпадает с осью канала подачи жидкости. На таком рас стоянии от узла распыления не успевает произойти значительного выравни вания концентрации жидкости по поперечному сечению факела распыле ния. С помощью лазерной указки совмещали центр секционного сборника и ось канала подачи жидкости в узле распыления 3, а также их продольные I-I и поперечные II-II плоскости. Далее определяли конфигурацию зоны оро шения при высоте Нфр=500;


600;

700;

800;

900;

1000мм. Для этого вместо секционного сборника на основание 1 устанавливали лист с координатной сеткой, который аналогично ориентировали относительно узла распыления с помощью лазерной указки (рис. 5.3, в).

5.4.1. Осесимметричные компоновки узлов распыления При осесимметричной компоновке в узле распыления центры сопел подачи газа образуют фигуру, центр которой находится на оси канала подачи жидкости (отсутствует эксцентриситет ецк=0).

Кольцевая компоновка. Наиболее технологична осесимметричная кольцевая компоновка узла распыления (рис. 5.8). Все сопла расположе ны на одинаковом расстоянии от оси канала подачи жидкости.

Окружное распределение жидкости относительно оси канала подачи жидкости для кольцевой компоновки представляет собой окружность, центр которой совпадает с осью факела распыления (рис. 5.9).

I Г Ж II II I Рис. 5.8. Кольцевая компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сверхзвуковое сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сече ния сопла;

dсг – диаметр расположения сопел подачи газа;

I-I – продольная плос кость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость / I /3 / /6 / II II 0 wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.9. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси канала подачи жидкости, кольцевая компоновка узла распыления При осесимметричной компоновке узла распыления зона орошения также получается осесимметричной и представляет собой окружность диаметром dор, которая увеличивается с высотой факела распыления Нфр.

Центр зоны орошения совпадает с осью канала подачи жидкости (рис. 5.10). Отметим, что такая конфигурация зоны орошения в виде кру га наблюдается для всех осесимметричных компоновок (эллипсная, тре угольная, квадратная). С увеличением вязкости жидкости диаметр зоны орошения dор уменьшается. При распылении воды (ж=0,001Пас) (рис. 5.10, а) площадь зоны орошения несколько больше, чем при распы лении связующего ЭДТ-10 (ж=0,050Пас) (рис. 5.10, б).

I а) dор=460мм;

Н фр=1000мм dор=420мм;

Н фр=900мм dор=380мм;

Н фр=800мм II II dор=350мм;

Н фр=700мм dор=310мм;

Н фр=600мм dор=270мм;

Н фр=500мм I I б) dор=430мм;

Н фр=1000мм dор=390мм;

Н фр=900мм dор=350мм;

Н фр=800мм II II dор=320мм;

Н фр=700мм dор=280мм;

Н фр=600мм dор=240мм;

Н фр=500мм I Рис. 5.10. Конфигурация зоны орошения узла распыления с кольцевой компоновкой при различной высоте факела распыления Hфр: а – вода;

б – связующее ЭДТ- Эллипсная компоновка. При эллипсной компоновке сопла подачи газа расположены по замкнутому эллипсу вокруг канала подачи жидко сти. В рассматриваемой эллипсной компоновке центр расположения со пел подачи газа совпадает с осью канала подачи жидкости (рис. 5.11).

Сопла подачи газа расположены на различном расстоянии от этого цен тра, симметрично продольной I-I и поперечной плоскости II-II узла рас пыления. Центры симметричных сопел подачи газа лежат на одной окружности dсг_i, поэтому эллипсную компоновку можно считать много рядной. Эквивалентный диаметр расположения сопел подачи газа dсг можно вычислить по формуле (5.1).

I Г Ж II II I Рис. 5.11. Эллипсная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 –сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения соп ла;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость Окружное распределение жидкости относительно оси канала подачи жидкости для эллипсной компоновки представляет собой эллипс, вытя нутый вдоль продольной плоскости I-I, центр которой совпадает с осью факела распыления (рис. 5.12). Перераспределение капель жидкости по сечению факела распыления вызвано эжекцией, поэтому диаграмма окружного распределения жидкости вытянута в направлении расположе ния большего количества сопел подачи газа.

Треугольная компоновка. При треугольной компоновке прямые, проходящие через центры сопел подачи газа, образуют равнобедренный треугольник. В анализируемой треугольной компоновке центр располо жения сопел совпадает с осью канала подачи жидкости (рис. 5.13). Сопла подачи газа расположены на различном расстоянии от этого центра, сим метрично продольной I-I и поперечной плоскости II-II узла распыления.

Центры симметричных сопел подачи газа лежат на одной окружности dсг_i, поэтому треугольную компоновку можно считать многорядной. Эк вивалентный диаметр расположения сопел подачи газа dсг можно вычис лить по формуле (5.1).

/ I /3 / /6 / II 0 II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.12. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси канала подачи жидкости, эллипсная компоновка узла распыления I Г Ж II II I Рис. 5.13. Треугольная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения соп ла;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость Диаграмма окружного распределения жидкости относительно оси канала подачи жидкости для треугольной компоновки показывает, что капли жидкости за счет эжекции отклоняются в сторону с наибольшим числом сопел, то есть к вершинам треугольника (рис. 5.14).

/ I /3 / /6 / II II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.14. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси канала подачи жидкости, треугольная компоновка узла распыления Квадратная компоновка. При квадратной компоновке прямые, проходящие через центры сопел подачи газа, образуют равносторонний квадрат. В данной квадратной компоновке центр расположения сопел подачи газа совпадает с осью канала подачи жидкости (рис. 5.15). Сопла подачи газа расположены на различном расстоянии от этого центра, сим метрично продольной I-I и поперечной плоскости II-II узла распыления.

Центры симметричных сопел подачи газа лежат на одной окружности dсг_i, поэтому квадратная компоновка является многорядной. Эквивалент ный диаметр расположения сопел подачи газа dсг можно вычислить по формуле (5.1).

Диаграмма окружного распределения жидкости относительно оси канала подачи жидкости для квадратной компоновки показывает, что капли жидкости за счет эжекции отклоняются в сторону с наибольшим числом сопел, то есть к вершинам квадрата (рис. 5.16).

I Г Ж II II I Рис. 5.15. Квадратная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения соп ла;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость / I /3 / /6 / II 0 II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.16. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси канала подачи жидкости, квадратная компоновка узла распыления Выводы. При осесимметричной компоновке узла распыления на диаграмме окружного распределения жидкости наблюдается фигура, центр которой находится на оси факела распыления, совпадающей с осью канала подачи жидкости. Эжекция со стороны сверхзвуковых струй газа вызывает перераспределение потока капель в сторону с большим числом сопел. Конфигурация зоны орошения для всех осесимметричных компо новок представляет собой окружность, центр которой совпадает с осью канала подачи жидкости. С увеличением высоты факела распыления Нфр диаметр зоны орошения dор увеличивается. При прочих равных парамет рах при одинаковой высоте факела распыления Нфр диаметр зоны ороше ния dор при распылении связующего несколько меньше, чем при распы лении воды.

5.4.2. Асимметричные компоновки узлов распыления При асимметричной компоновке в узле распыления центры сопел подачи газа образуют фигуру, центр которой не находится на оси канала подачи жидкости (имеет место эксцентриситет ецк0).

Серповидная компоновка. Серповидная компоновка узла распыле ния представляет собой сопла, расположенные по дуге окружности отно сительно оси канала подачи жидкости (рис. 5.17). Сопла подачи газа рас положены на различном расстоянии от оси канала подачи жидкости.

Эксцентриситет eцкI-I вызывает неравномерное распределение жидкости по зоне орошения.

I Г Ж II II I Рис. 5.17. Серповидная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сверхзвуко вое сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения сопла;

dсг – диаметр расположения сопел подачи газа;

ецкI-I – эксцентри ситет;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость Для определения влияния эксцентриситета eцкI-I и диаметра располо жения сопел подачи газа dсг на окружное распределение жидкости были изготовлены узлы распыления с различным эксцентриситетом eцкI-I, число сопел и их диаметр расположения dсг оставались постоянными (рис. 5.18).

Увеличение относительного эксцентриситета eот=(eцкI-I)/dсг приводит к вы тягиваю диаграммы окружного распределения жидкости в эллипс. Чем ближе расположены сопла подачи газа к каналу подачи жидкости, тем больше капель жидкости за счет эжекции отклоняется в их сторону. В направлении, где отсутствуют сопла подачи газа, отклоняется незначи тельное количество капель, так как эжекция в этом направлении отсутству ет. Для осесимметричной кольцевой компоновки eот=0, для асимметричной серповидной компоновки eот=0;

0,2;

0,4;

0,6.

/ I /3 / еот=0 еот= (кольцевая компоновка) (серповидная компоновка) /6 / еот=0, II 0 II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, еот=0, / / еот=0, /3 / I / Рис. 5.18. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси факела распыления, серповидная компоновка узла распыления с различным отно сительным эксцентриситетом eот=(eцкI-I)/dсг При асимметричной серповидной компоновке узла распыления зона орошения на значительном удалении от узла распыления представляет собой окружность диаметром dор. Центр зоны орошения не совпадает с осью канала подачи жидкости, отклонение увеличивается с ростом еот (рис. 5.19). Увеличение вязкости жидкости приводит к уменьшению диа метра зоны орошения dор. При распылении воды (ж=0,001Пас) (рис. 5.19, а) площадь зоны орошения несколько больше, чем при распы лении связующего ЭДТ-10 (ж=0,050Пас) (рис. 5.19, б).

I а) dор=350мм;

Н фр=700мм еот= dор=360мм;

Н фр=700мм еот=0, II II dор=345мм;

Н фр=700мм еот=0, dор=355мм;

Н фр=700мм еот=0, I I б) dор=320мм;

Н фр=700мм еот= dор=330мм;

Н фр=700мм еот=0, II II dор=315мм;

Н фр=700мм еот=0, dор=325мм;

Н фр=700мм еот=0, I Рис. 5.19. Конфигурация зоны орошения узла распыления серповидной компо новкой при одинаковой высоте факела распыления Hфр и различном эксцентриси тете: а – вода;

б – связующее ЭДТ- Угловая компоновка. Угловая компоновка узла распыления также является асимметричной. По своим характеристикам угловая компоновка узла распыления близка к серповидной компоновке. При угловой компо новке центры сопел подачи газа расположены на двух прямых, выходя щих из одной точки и охватывающих канал подачи жидкости (рис. 5.20).

Центр расположения сопел подачи газа находится на пересечении двух перпендикуляров, построенных из середин прямых, на которых располо жены сопла. Сопла подачи газа расположены на различном расстоянии от этого центра, симметрично продольной плоскости I-I узла распыления.

Центры симметричных сопел подачи газа лежат на одной окружности диаметром dсг_i. Диаметр расположения для всех сопел подачи газа dсг можно вычислить по формуле (5.1).

I II II Ж Г I Рис. 5.20. Угловая компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 –сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения соп ла;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

ецкI-I – эксцентриситет;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость При угловой компоновке центр расположения сопел подачи газа может не совпадать с осью канала подачи жидкости, то есть имеет место эксцентриситет eцкI-I. Эксцентриситет eцкI-I вызывает изменение конфигу рации зоны орошения и неравномерное распределение жидкости по ней.

Для определения влияния эксцентриситета eцкI-I и диаметра расположения сопел подачи газа dсг на окружное распределение жидкости были изго товлены узлы распыления с различным эксцентриситетом eцкI-I. Увеличе ние относительного эксцентриситета eот=(eцкI-I)/dсг приводит к вытягиваю диаграммы окружного распределения жидкости в эллипс. Для осесим метричной кольцевой компоновки eот=0, для асимметричной угловой компоновки eот=0;

0,2;

0,4;

0,6. По сравнению с серповидной компонов кой, при угловой компоновке диаграмма окружного распределения жид кости wокр более вытянута вдоль продольной плоскости I-I (рис. 5.21).

Это можно объяснить высокой концентрацией сопел подачи газа в месте пересечения прямых, на которых лежат центры сопел подачи газа. Исте кающий из этих сопел газ за счет эжекции отклоняет капли жидкости в сторону скопления сопел.

/ I /3 / еот=0 еот= (кольцевая компоновка) (серповидная компоновка) /6 / еот=0, II II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, еот=0, / / еот=0, /3 / I / Рис. 5.21. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси факела распыления, угловая компоновка узла распыления с различным относительным эксцентриситетом eот=(eцкI-I)/dсг При угловой компоновке зона орошения на значительном удалении от узла распыления представляет собой окружность диаметром dор. Рас положение центра зоны орошения, так же как и при серповидной компо новке (рис. 5.18), не совпадает с осью канала подачи жидкости, отклоне ние увеличивается с ростом еот.

Двухсерповидная компоновка. Двухсерповидная компоновка узла распыления представляет собой сопла подачи газа расположенные по двум дугам окружностей, охватывающим канал подачи жидкости. Сопла на каждой дуге окружности образуют обособленную группу, то есть при двухсерповидной компоновке имеется две группы сопел. Центры этих двух окружностей расположены относительно оси канала подачи жидко сти с эксцентриситетом в продольной ецкI-I и поперечной ецкII-II плос костях (рис. 5.22). Отметим, что группы сопел расположены симмет рично относительно канала подачи жидкости. Эксцентриситет eцкI-I и ецкII-II вызывает неравномерное распределение жидкости по зоне ороше ния.

I Г Ж II II I Рис. 5.22. Двухсерповидная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения сопла;

dсг – диаметр расположения сопел подачи газа;

ецкI-I и ецкII-II – эксцентри ситет;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость Наличие эксцентриситета в продольной eцкI-I и поперечной ецкII-II плоскостях приводит к эжекции капель в направлениях группирования сопел (рис. 5.23). Поток жидкости в факеле распыления разделяется на два. В направлении, где отсутствуют сопла подачи газа, отклоняется не значительное количество капель, так как эжекция в этом направлении отсутствует.

Центры дуг окружностей dсг1 и dсг2 (рис. 5.22) расположены сим метрично относительно оси канала подачи жидкости, поэтому кон фигурация зоны орошения получается симметричной и соответствует конфигурации осесимметричных компоновок узлов распыления (рис. 5.10).

/ I /3 / /6 / II 0 II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.23. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси факела распыления, двухсерповидная компоновка узла распыления с эксцентриситетом в продольной eцкI-I.и поперечной eцкII-II плоскости Трехсерповидная компоновка. При трехсерповидной компоновке центры сопел подачи газа расположены по трем дугам окружностей, охватывающих канал подачи жидкости (рис. 5.24). Сопла на каждой дуге окружности составляют обособленную группу, то есть при трехсерпо видной компоновке имеется три группы сопел. Центры этих окружностей расположены относительно оси канала подачи жидкости с эксцентриси тетом в продольной ецкI-I и поперечной ецкII-II плоскостях. Эксцентриситет eцкI-I и ецкII-II вызывает неравномерное распределение жидкости по зоне орошения. При этом, группы сопел расположены симметрично относи тельно канала подачи жидкости.

Трехсерповидная компоновка близка к треугольной компоновке. По этому диаграмма окружного распределения жидкости относительно оси канала подачи жидкости для трехсерповидной компоновки (рис. 5.25) схожа с диаграммой для треугольной компоновки (рис. 5.14).

Центры дуг окружностей dсг1, dсг2, dсг3 (рис. 5.24) расположены симметрично относительно оси канала подачи жидкости, поэтому конфи гурация зоны орошения получается симметричной и соответствует конфигурации осесимметричных компоновок узлов распыления (рис. 5.10).

I Г Ж II II I Рис. 5.24. Трехсерповидная компоновка: 1 – канал подачи жидкости;

2 –сопло;

dкж – диаметр канала подачи жидкости;

dкр – диаметр критического сечения соп ла;

dсг_i – i-й диаметр окружности, на которой расположены сопла подачи газа;

I-I – продольная плоскость;

II-II – поперечная плоскость;

Г – газ;

Ж – жидкость / I /3 / /6 / II 0 II wокр 1,4 1,2 1,0 0,8 0, / / /3 / I / Рис. 5.25. Диаграмма окружного распределения жидкости wокр вокруг оси канала подачи жидкости, трехсерповидная компоновка узла распыления Выводы. При асимметричной компоновке (серповидная, угловая) узла распыления на диаграмме окружного распределения жидкости наблюдается весьма неравномерное ее распределение относительно оси канала подачи жидкости, что связано с наличием эксцентриситета eот.

Поток капель за счет эжекции отклоняется в сторону расположения сопел подачи газа. Зона орошения при асимметричной компоновке представля ет собой окружность, центр которой не совпадает с осью канала подачи жидкости, что связано с наличием эксцентриситета еот. С увеличением высоты факела распыления Нфр диаметр зоны орошения dор увеличивает ся. Повышение вязкости распыляемой жидкости приводит к уменьшению диаметра зоны орошения dор.

В том случае, если компоновка включает несколько групп сопел (двухсерповидная, трехсерповидная), каждая из групп расположена с эксцентриситетом eот относительно оси канала подачи жидкости, но эти группы симметричны относительно оси канала подачи жидкости, то центр диаграммы окружного распределения жидкости совпадает с осью канала подачи жидкости. Зона орошения для таких асимметричных ком поновок представляет собой окружность, центр которой совпадает с осью канала подачи жидкости, также как и у осесимметричных компоновок.

5.5. Опытное определение размеров капель Капли, находящиеся в сверхзвуковом факеле распыления находятся в сложном движении, которое они совершают вместе с потоками газа относи тельно друг друга. Фиксирование капель, измерение их размеров и опреде ление числа капель различной величины связано со значительными трудно стями. Этим объясняется использование многих методов для оценки разме ров образовавшихся в результате распыления капель [136, 180, 189, 205].



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 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.