Изучение дисперсного состава факела распыла жидкости центробежно-струйной форсунки Текст научной статьи по специальности «Физика»

РАЗДЕЛ 6. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ И СМЕЖНЫЕ ВОПРОСЫ

Изучение дисперсного состава факела распыла жидкости центробежно-струйной форсунки

д.т.н. проф. Вальдберг А.Ю., Макеева К.П., к.т.н. проф. Николайкина Н.Е.

Университет машиностроения 8910460 7185, nikols 15 3(a)mail. ru

Аннотация. В статье приведены результаты исследования дисперсности состава факела распыла воды центробежно-струйной форсункой. Определены значения средних размеров капель и проведено сопоставление с известными расчетными значениями. Построены графики дисперсного распределения капель и графики сравнения экспериментальных и расчетных значений для среднеарифметического и медианного диаметра. Полученные данные позволяют рекомендовать расчетные зависимости для оценки средних размеров капель при распыле центробежно-струйной форсунки.

Ключевые слова: форсунка, дисперсный состав, среднеарифметический диаметр, медианный диаметр капель.

Введение

Для защиты воздушного бассейна от вредных выбросов промышленных производств широко применяются мокрые газоочистные аппараты. Эксплуатационная надежность и эффективность мокрых газоочистных аппаратов в значительной мере обусловлена правильным выбором распыливающих устройств (форсунок).

Форсуночный подвод жидкости широко приметается в различных по назначению видах технологического оборудования. Это делает актуальной задачу разработки новых, удовлетворяющих потребностям промышленности конструкций форсуночных распылителей и методов их расчета. Эффективность технологических процессов зависит от целого ряда параметров, образующихся при распыле капель: дисперсного состава, равномерности распределения капель по сечению скруббера и гидравлического распыла, характеризующего контакт капель с газовым потоком.

Целью данной работы является исследование процесса распыливания капель механической центробежно-струйной форсункой для определения основных качественных и количественных параметров распыла и разработка на их базе надежных методов расчета форсунки.

Постановка задачи

Одной из важнейших характеристик форсунок является размер образующихся при рас-пыливании капель. На практике применяются различные виды параметров, характеризующих средний размер капель: среднеарифметический dl3 средний поверхностный d2, средний

объемный d3, средний объемно-поверхностный по Заутеру d32, средний геометрический диаметр dr, среднемассовый d43, медианный по массе dm и другие [1, 2]. Выбор одного из

этих параметров зависит от задачи, решаемой в аппарате с подводом форсуночного орошения. Например, при оценке эффективности осаждения взвешенных частиц базируются на значении среднего линейного диаметра капель dl3 а при расчете массо- и теплообменных

процессов используют значения среднемассового или среднеобъемного диаметра капель dm или d3.

Скорость испарения частиц определяется линейным распределением dl3 оптическая плотность и осаждение частиц под действием силы тяжести и инерции средне поверхност-

ным й2 [3, 4].

Существует различные методы определения характеристик распыла. В настоящей работе приведены результаты исследований гидравлической форсунки электрическим счетно-импульсным методом, основанным на использовании импульсов, возникающих в цепи при ее замыкании каплями жидкости при известной величине зазора между концами игл датчика, помещенного в факел распыла[5].

Исследования и результаты

Данные исследования проводились на экспериментальной установке при распыле капель воды центробежно-струйной форсункой с диаметром сопла 4 мм.

При комнатной температуре давление жидкости перед форсункой изменялось в пределах от 0,2 до 0,6 МПа. Центробежно-струйная форсунка широко применяется в технике газоочистки. Принцип действия форсунки основан на двустороннем подводе жидкости. Часть жидкости подводится тангенциально в камеру закручивания или проходит по винтовым периферийным каналам вставки, образуя вращающий поток. Другая часть проходит через центральное отверстие вставки, образуя сплошную струю, причем ее диаметр должен быть несколько больше внутреннего диаметра кольцевого потока, вращающегося в сопловом канале. Тогда за счет взаимодействия вращающаяся жидкость будет закручивать центральную струю, создавая единый поток, который на выходе из сопла образует факел в виде сплошного конуса.

На основании экспериментальный данных (определении количества капель в определенном интервале их размера-фракции) были рассчитаны средние диаметры: с^, с12, ё3 2 ,с1г, с14з - по нижеприведенным формулам при давлении распыла Р от 0,2 МПа

до 0,6 МПа:

^Е^/Е1' (1)

МЕс^/Е!)1'2, (2)

¿3 =

я

(3)

з

УХ

(4)

18<1г=5>М/21, (5)

¿4.3==-^ (6)

2Л ^

?

где: (1; - текущий размер капли в середине фракции, м; п; - число капель диаметром с1; во фракции; У^ \ - общее число капель.

Медианный диаметр капель по массе с1т, полученных в результате экспериментов, рассчитывался по фракциям с построением кривых в вероятностно-логарифмической сетке, характеризующих распределение величины массы капель от их диаметра .

А -41. (7)

^111 ^ Рж ' 6

где: рж = 1000 кг/м3 - плотность воды.

Полученные в результате построения прямые (рисунок 1) свидетельствуют о

логарифмически-нормальном распределении размеров капель при распыле жидкости центробежно-струйной форсункой.

£>£ ез С* Ц1 ОА ол ¡0 СГ V 30 «С '■'> ДО Ю1

е,г а* & Цг 0 а ¿ц ¿.о ня

Рисунок 1 - Дисперсное распределение капель в вероятностно-логарифмической системе координат, при давлении Р=0,4 МПа для с!г, с!т (а) и для с!г, с!1,с!2,с!з (б)

Результаты расчетов средних диаметров с1эксп по формулам (1) - (7) сведены в

таблицу 1.

Таблица 1

Средние размеры капель (мкм)

р, МПа эксп ^1расч ^3,2эксгт ^3,2расч Зэки ^: 1кш ^ Зэ«п г экеп ^ шрасч ^тэксп

0,2 336 334 724 430 1100 691 417 501 264 652 650

0,3 272 260 583 360 889 599 340 408 207 557 590

0,4 248 259 472 317 585 542 302 351 215 501 500

0,5 246 227 465 288 537 502 292 341 213 459 450

0,6 216 204 475 265 647 471 270 326 174 433 445

Было проведено сопоставление полученных экспериментальных данных средних величин капель с рядом наиболее известных зависимостей для их расчета, приводимых в литературе: • для расчета с12 [6]:

¿1

= 385,5 Яе

-0.74

(8)

где: с1с - диаметр сопла, м;

ц - коэффициент заполнения сопла форсунки (для исследованной форсунки ц, = 0,8); (2Р

Ке =------критерии Реинольдса ;

\ Рж ^ж

Р - давление распыла, Па;

рж - плотность жидкости, кг/м ;

- кинематическая вязкость жидкости, м2/с; для расчета ё32 [7]:

d3.2=0,154.p-0-44-dc0-23:

для расчета d43 [8]:

где. ABV = ^-4—

d„

47,8

Л Re II

0,7 -i-гОЛ

(9)

(10)

П'Гвх

п - количество входных отверстий; Лк- радиус камеры форсунки, м;

гвх - радиус входного отверстия форсунки, м;

р -V2

Щ = ■ ж ж

a -d„

стж - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; для расчета dm формула Лонгвелла [9]:

dm = 947 • 104 • dc • е°-7'1о7'уж/Рж Д розт. sm ^

а - корневой угол факела распыла, град.

(П)

-dlpacM -сИэксп

64000

74000

84000

94000

104000

114000

Re

Рисунок 2 - Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для среднеарифметического диаметра

■dmpac4 ■dmsKcn

64000 74000 84000 94000 104000 114000 Ре

Рисунок 3 - Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для медианного

по массе диаметра

Результаты расчета по формулам (8-11) dpacч для экспериментальной форсунки также приведены в таблице 1.

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы. На рисунках 2-3 приведены сопоставления экспериментальных и расчетных данных для среднеарифметического и медианного диаметра.

Выводы

Наилучшая сходимость экспериментальных и расчетных данных наблюдается для значений dj формула (8) и dm формула (11). Величина расхождения для dj не превышала 5%, а для dm не превышала 3%. Полученные данные позволяют рекомендовать зависимости (8) и (11) для оценки средних размеров капель при распыле жидкости центробежно-струйной форсункой.

Литература

1. Вальдберг А.Ю., Макеева К.П. Анализ дисперсного состава капель, распыливаемых центробежно-струйной форсункой // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 3, 2012. -с.З.

2. Makeeva К. Analysis of the dispersion of droplets, spray centrifugal blasting nozzle /К. Makeeva, A. Valdberg// 20th International Congress of Chemical and Process Engineering, 15th Conference Pres, CD-ROM of Full texts Praha, Czech Republic. 25-29 August 2012.

3. Фукс H.A. Механика аэрозолей - M. : Изд. АН СССР, 1995. - 352с.

4. Шиляев Н.И., Шиляев А.М Аэродинамика и тепло-массообмен газодисперсных потоков -Томск: Изд. ТГАСУ, 2003. - 272с.

5. Вике М., Даклер А. Новый метод измерения распределения капель электропроводной жидкости в двухфазном потоке/ Достижения в области теплообмена, М: Мир,1970. - с.39

6. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М. Обощенная оценка дисперсности распыла гидравлических форсунок // ТОХТ, т.XXIII, №5, 1989. - с.689-692

7. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетики - М: Энерго-атомиздат,1989. - 206с.

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

9. Лонгвелл Дж.П. Горение жидких топлив - М.: Физматгиз,1961. - с.343-371

Методы визуализации гидродинамики и нестационарного теплообмена в

зернистых средах

чл.-корр. РАН Покусаев Б.Г., к.т.н. доц. Карлов С.П., к.т.н. Некрасов Д. А., Захаров Н.С.

Университет машиностроения 8(499) 267-07-59, nekrasov55(a¡yandex.ru

Аннотация. Приведены результаты экспериментов по визуализации полей температур и развития конвективных течений в процессе нестационарного кондук-тивного нагрева стенки ячейки, включающей слой шариков засыпки, помещенных в жидкость. Разработана расчётная методика моделирования процесса прогрева ячейки и развития конвекции при различных граничных условиях.

Ключевые слова: нестаг^ионарныи теплообмен, свободная конвекция, зернистые и пористые среды, метод иммерсионной томографии.

Процессы тепломассообмена в зернистых средах широко распространены в различных аппаратах энергетики, микрореакторах химической и биотехнологической промышленности [1]. Так, применительно к энергетике активно обсуждаются варианты конструктивных решений и схем использования шаровых микротвэлов в водоохлаждаемых реакторах, в том числе реакторах прямоточного типа [2]. К одной из фундаментальных научных и прикладных проблем здесь относится изучение процессов вскипания недогретой жидкости при импульсном тепловыделении в стенке в присутствии зернистого слоя, а также анализ влияния различных факторов на протекающие при этом процессы. К таким факторам, например, относится необ-