Исследование дисперсности распыливаемых капель жидкости методом малоуглеродного рассеяния

Архипов Владимир Афанасьевич; Бондарчук Сергей Сергеевич; Жуков Александр Степанович; Змановский Сергей Владиславович; Трофимов Вячеслав Федорович

УДК 533.9.07:533.527

В. А. Архипов, С. С. Бондарчук, А. С. Жуков, С. В. Змановский, В. Ф. Трофимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ РАСПЫЛИВАЕМЫХ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ

Проведена лазерная диагностика параметров факела распыла центробежной форсунки методом малоуглового рассеяния. Решением обратной задачи оптики аэрозолей определена функция распределения капель по размерам в факеле распыла центробежной форсунки.

Ключевые слова: распределение частиц по размерам, малоугловоe рассеяние, лазер, фотоприемник, форсунка.

Аппаратная часть плазмохимического метода и технологии синтеза нанопорошков [1] базируется на высокочастотном способе генерации теплоносителя, подаваемого в реакторную часть установки совместно с раствором прекурсора. Тонкодисперсные порошки в данном способе синтезируются путем термохимического разложения жидких распыленных форсунками реагентов в высокотемпературном теплоносителе. Повышение эффективности установок, позволяющее организовать оптимальный режим высокопроизводительного процесса получения широкого класса материалов с заданными свойствами, связано, помимо прочего, с дисперсностью факела распыла жидкого компонента в камере плазмотрона. Параметры форсунок определяют степень совершенства процессов распыления прекурсора [1]. Для расчета характеристик форсунок используется теория, развитая Г. Н. Абрамовичем [2], а также многочисленные эмпирические зависимости [3]. Опубликованные данные относятся к характеристикам форсунок в квазистаци-онарных режимах работы при номинальных значениях перепада давления Др на форсунке. Однако в результате девиации параметров подаваемого жидкого компонента, технологического несовершенства в процессе изготовления форсунок при работе как динамические, так и статические характеристики могут существенно отличаться от расчетных. Экспериментальная информация о дисперсных параметрах частиц, генерируемых форсункой, необходима для проведения расчетов рабочих процессов в конкретных установках.

Для получения экспериментальной информации об аэрозолях наиболее перспективны бесконтактные методы измерения [4]. Их преимуществом является отсутствие возмущений исследуемого потока аэрозоля. Одним из таких методов является оптический, основанный на регистрации рассеянного потоком частиц лазерного зондирующего излучения. Определение функции распределения частиц по размерам базируется на использовании метода малоуглового рассеяния, основанного на возможности аналитического описания рассеяния света частицами, более крупными по сравнению с

длиной волны излучения, под малыми углами 0 к направлению падающего излучения. При выполнении условий рассеяния света независимыми частицами и его однократности, интенсивность рассеянного потоком частиц излучения может быть определена по формуле теории дифракции [4, 5]:

I да

I (0) = // (г) г2 ВЦрВ^г.

0

Обращение этого интегрального уравнения относительно функции распределения частиц по размерам /(г) дает следующую зависимость:

(1)

где 10 - интенсивность падающего на частицы излучения; с - аппаратурная константа; г - радиус частицы; Г(р0)=р0В1(р0)Ж1(рР0); В1(р0) и Ж1(рР0) - функции Бесселя и Неймана первого порядка;

3 ■Г1 (V '

I

о

*(0)=Ч т! 50

Решение обратной задачи оптики аэрозолей с использованием зависимости (1) дает возможность определить функцию распределения частиц по размерам экспериментально измеренной индикатрисы рассеянного излучения.

Для определения функции распределения частиц по размерам разработана лазерная установка, основанная на измерении прошедшего через исследуемый объем излучения и рассеянного под малыми углами к оси лазерного луча на частицах аэрозоля излучения [4]. Экспериментальный стенд состоит из системы вытеснительной подачи жидкого компонента и лазерного измерительного комплекса. Блок-схема лабораторного измерительного стенда приведена на рис. 1.

Рабочая жидкость находится в баллоне (4) емкостью 5 л, подключенном к компрессору марки «Кратон 175/24» (5). При повышении давления в баллоне жидкость вытесняется по трубопроводам и через запорный игольчатый клапан (3) подается к форсунке (1). Расход жидкости регулируется запорным клапаном, давление перед форсункой из-

2

Рис. 1. Блок-схема испытательного стенда: 1 - форсунка;

2 - образцовый манометр; 3 - запорный игольчатый клапан;

4 - баллон с рабочей жидкостью; 5 - компрессор; 6 - лазер;

7 - генератор; 8 - приемный резервуар; 9 - персональный компьютер; 10 - осциллограф; 11 - фотоприемники

меряется образцовым манометром (2). Подаваемая через форсунку жидкость образует факел распыла, который зондируется лазерным излучением. В качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения X =

0.6328 мкм мощностью 5 мВт (6). Питание лазера осуществляется от генератора (7) прямоугольных импульсов с регулируемой частотой и амплитудой. Модуляция лазерного излучения позволяет выделить полезный сигнал фотоприемника на фоне постоянной шумовой составляющей, обусловленной темновым током.

Модулированный луч лазера ориентирован под углом 90° к оси форсунки и проходит через ее факел распыла. Лазерное излучение, рассеянное под малыми углами, регистрируется линейкой фотоприемников, которая расположена в перпендикулярной лучу лазера плоскости. Линейка фотоприемников, перемещаемая вертикально по направляющим, позволяет регистрировать излучение, рассеянное на частицах аэрозоля, в диапазоне углов 0 < 10° относительно оси лазерного луча.

В качестве фотоприемников (11) использовались германиевые фототранзисторы ФТГ-4, работающие в фотогенераторном или в фотодиодном режимах. Интегральная чувствительность данных фотоприемников к световому потоку на порядок выше, чем у фотодиодов. Диапазон спектральной характеристики 0.4-1.9 мкм, рабочее напряжение 5-10 В, площадь фоточувствительного элемента 3 мм2.

Линейка из четырех расположенных по вертикали фототранзисторов представляла собой единый блок, смонтированный в одном корпусе с

предварительными усилителями. Перед фототранзисторами установлены зачерненные трубки, предохраняющие фототранзисторы от боковых лучей света. Длина трубок - 60 мм, внутренний диаметр - 5 мм. Указанная конструкция приемного узла обеспечивала апертурный угол 6°. При юстировке установки перед началом эксперимента луч лазера направлялся на верхний фототранзистор. Для его защиты от перегрузки перед ним устанавливался нейтральный светофильтр. Сигнал от этого фототранзистора служит опорным при оценке уровня сигналов других фотоприемников. Относительно этого фототранзистора проводилась калибровка остальных фотоприемников. Вращение микровинта обеспечивает равномерное перемещение корпуса с фототранзисторами. Фототранзисторы подключались непосредственно к входным клеммам дифференциального усилителя. Согласование сигналов фотоприемников осуществлялось регулированием напряжения питания.

Рассеянное под малыми углами дисперсной средой факела распыла форсунки излучение лазера, зарегистрированное фототранзисторами (11) и усиленное инструментальным усилителем Ш-А118Р, записывалось на четырехканальный селективный осциллограф марки GWINSTEK GDS-2064, имеющий внутреннюю память и связь с персональным компьютером. Вид измерительного узла установки приведен на рис. 2.

Рис. 2. Измерительный узел установки

Для отработки методики малоуглового рассеяния с использованием разработанного испытательного стенда были проведены измерения дисперсности капель в факеле распыла центробежной форсунки. Результаты измерения нормированной индикатрисы рассеяния /(0) приведены в таблице.

Обработка результатов измерений проводилась в рамках моделей монодисперсных и полидиспер-сных капель. На рис. 3 приведены данные по экспериментально измеренной индикатрисе рассеяния (кружочки) и расчетные значения по моделям

Нормированная индикатриса рассеяния

/С9)//СЄ=0.2)

0, град Д0)/Д0.) 0, град Д0)/Д0.) 0, град Д0)/Д0,)

0.2 1.000 1.0 0.055 1.8 0.010

0.4 0.346 1.2 0.027 2.0 0.008

0.6 0.164 1.4 0.022 2.2 0.007

0.8 0.086 6.6 0.018 2.4 0.006

монодисперсных и полидисперсных капель (сплошные линии). Более близкое соответствие расчетной и экспериментальной индикатрис рассеяния было получено для модели полидисперсных капель (рис. 3). При этом функция распределения капель по размерам аппроксимировалась гамма-распределением f (r) = ara exp (-br).

Полученная в результате обработки экспериментальных данных функция распределения приведена на рис. 4. Значения параметров для этой функции: a=0.07; a=0.55; b=0.167. Значения модального и среднемассового радиусов капель: r0=3.6 мкм; r43=27.2 мкм. Отметим, что значение r43 хорошо согласуется с радиусом монодисперсных капель r=24.8 мкм.

Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы.

- Разработан и апробирован испытательный стенд для исследования влияния геометрических и режимных характеристик форсуночных устройств разного типа на дисперсность капель в факеле распыла методом малоуглового рассеяния.

- Получены данные по размерам капель в факеле распыла центробежной форсунки в рамках моно- и полидисперсной моделей. Значение сред-

0.8

0.6

0.4

0.2

0

1

\\ монодисперсная модель

^ полидисперсная модель

\ О - эъ сспе рим ент

\ / /

К U-I L | —с

0.2

0.6

1.0

1.4

1.1

0, град

Рис. 3. Расчетная и экспериментальная (точки) индикатрисы рассеяния

f(r) Г

Рис. 4. Функция распределения капель по размерам

немассового радиуса капель (полидисперсная модель) коррелирует с радиусом монодисперсных капель и с известными литературными данными.

- Показано, что наиболее близкое соответствие измеренной и расчетной индикатрис рассеяния достигается при аппроксимации дисперсного состава капель обобщенным гамма-распеределением частиц по размерам.

Список литературы

1. Arkhipov V. A., Bondarchuk S. S., Zhukov A. S. Mathematical modeling of the alumina powder synthesis by plasma chemical processes // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2011. Issue 8 (110). С. 60-63.

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. 888 с.

3. Витман Л. А., Кацнельсон Б. Д., Палеев И. И. Распыливание жидкости форсунками. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. 264 с.

4. Архипов В. А. Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987. 140 с.

5. Архипов В. А., Бондарчук С. С., Козлов Е. А., Трофимов В. Ф. Анализ полимодальных спектров размеров аэрозольных частиц методом лазерного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 5-6. С. 431-434.

Архипов В. А., профессор.

Томский государственный университет.

Пр. Ленина, 36, Томск, Россия, 634050. E-mail: [email protected]

Бондарчук С. С., профессор.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: [email protected]

Жуков А. С., ст. научный сотрудник. Томский государственный университет.

Пр. Ленина, 36, Томск, Россия, 634050. E-mail: [email protected]

Змановский С. В., директор.

Центр инноваций порошковой металлургии, ООО «СУАЛ-ПМ».

Ул. Южная, 2, Шелехов, Иркутская область, 660034.

E-mail: [email protected]

Трофимов В. Ф., профессор.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: [email protected]

Материал поступил в редакцию 02.05.2012.

V. A. Arkhipov, S. S. Bondarchuk, A. S. Zhukov, S. V. Zmanovsky, V. F Trofimov THE STUDY OF SPRAYED LIQUID DROPLETS DISPERSITY BY SMALL-ANGLE SCATTERING METHOD

Laser diagnostics of droplets sprayed by centrifugal atomizer was carried out by the small-angle scattering method. Solution of aerosol optics inverse problem was used for define the distribution function of droplet size in the sprayed liquid by the centrifugal atomizer.

Key words: particle size distribution, small-angle scattering method, laser, photodetector, atomizer.

Arkhipov V. A.

Tomsk State University.

Pr. Lenina, 36, Tomsk, Russia, 634050.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

E-mail: [email protected]

Bondarchuk S. S.

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.

E-mail: [email protected]

Zhukov A. S.

Tomsk State University.