CC BY
165
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.069.83
М. Р. Вахитов, Н. М. Нуртдинов, А. Н. Николаев
ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ В ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ ПОЛОГО ТИПА
Ключевые слова: исследование дисперсного состава, распыленная жидкость, полый вихревой аппарат, капля.
Проведено экспериментальное исследование дисперсного состава распыленной жидкости в полом вихревом аппарате и получены кривые плотности распределения капель по размерам при различных значениях режимных параметров. Выявлено слабое влияние скорости газа и скорости истечения жидкости из оросителя в исследуемом диапазоне параметров.
Keywords: research of disperse composition, sprayed liquid, tubular vortex device, drop.
An experimental study of disperse composition of liquid droplets in the tubular type vortex devices has been made and curves of the density distribution of droplet’s size under different values of operating parameters have been obtained. A little effect of gas and fluid outflow velocity from the sprinkler in the studied range of parameters has been determined.
Оборудование вихревого типа может быть использовано для очистки газов от газообразных и твердых примесей в химической и пищевой промышленности [1, 2], а также для утилизации тепла высокотемпературных газовых потоков [3], обладая высокой пропускной способностью по газу, низкой металлоемкостью и простотой конструкции.
Наиболее компактными и удобными в эксплуатации являются вихревые аппараты полого типа. Использование принципа равнопроточности газа в таких аппаратах позволяет снизить их гидравлическое сопротивление при сохранении значения эффективности тепло- и массообменных процессов. В полом вихревом аппарате (рис.1) высокоскоростной поток газа, проходя через завихритель 4, приобретает вращательно-поступательное движение. Жидкость, поступающая в аппарат через ороситель 2, представляющий собой коаксиальную перфорированную трубу, дробится потоком газа на капли с образованием объемного факела распыла, заполняющего всю внутреннюю область аппарата. Под действием центробежной силы капли жидкости двигаются к периферии аппарата и осаждаются на стенке корпуса, образуя жидкую пленку, которая в свою очередь, стекает по стенке и выводится в нижней части аппарата. Эффективность протекающих в аппарате тепло- и массообменных процессов существенно зависит от качества распыливания жидкости и размеров образующихся капель.
Сложность процесса распада пленок и струй жидкости на капли, зависящего от большого числа факторов, привели к возникновению различных, часто противоречивых концепций, объясняющих это явление. Несмотря на то, что изучению процесса распада пленок и струй жидкости на капли посвящено значительное количество как теоретических, так и экспериментальных работ, в настоящее время нет твердо установившихся представлений о механизме протекания этого процесса. В качестве причин, вызывающих распад жидкости, различными авторами называются капиллярные силы, турбулентные пульсации, кавитация и внешние инерционные силы. Подробные обзоры исследований, касающихся распада жидких струй и пленок представлены в [4, 5]. Наиболее убедительным следует признать подход, выделяющий два наиболее вероятных механизма диспергирования жидкости.
1. При малых относительных скоростях между струей или пленкой и газовой средой распад жидкости на капли происходит из-за статической неустойчивости течения, вызванной преобладанием инерционных сил потока над силой поверхностного натяжения.
2. При больших относительных скоростях между газом и жидкостью определяющим
фактором является внешняя сила аэродинамического воздействия.
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для определения дисперсного состава капель: 1 - полый вихревой аппарат, 2 - ороситель, 3 - крепление, 4 - завихритель, 5 -стекло, 6 - фотоаппарат, 7 - лампа большой мощности, 8 - блок питания
Дисперсный состав распыленной жидкости может характеризоваться двумя различными видами функций плотности распределения капель по размерам. К первому виду относятся функции, определяющие, сколько капель заданного размера образуется при распыливании в единицу времени
/ч 1 СЫт Пт (а)_ Ыт Са . (1)
Здесь СЫт - количество капель с диаметрами от (а- Са/2) до (а + Са/2), образующихся в единицу времени, Ыт - общее количество образующихся капель, а - диаметр капли. Кроме того, дисперсный состав распыленной жидкости может характеризоваться функциями, определяющими сколько капель заданного размера находится одновременно в объеме аппарата.
1 СЫ
(2)
( ч 1 СЫУ
пу (а)= у
Ыу Са
где СЫУ - количество капель с диаметрами от (а - Са/2) до (а + Са/2), находящихся в объеме аппарата, Ыу - общее количество находящихся в аппарате капель.
131
Связь между двумя указанными функциями можно получить следующим образом. Учитывая, что капли одинакового диаметра пребывают в аппарате равное время в случае установившегося процесса и если Са ^ 0 можно записать
СЫу (а) = СЫт (а)т(а) или Ыупу (а) = Ытпт (а)т(а) (3)
где т(а) - функция времени пребывания капель в аппарате. Аналогичное соотношение можно
записать для общего количества капель
атах атах
Ыу /у(а)Са = Ыт /т (а)т(а)Са. (4)
атт ат1п
Разделив (3) на (4) и, учитывая, что /у (а)Са = 1, получим
а
( ) Пт (а)т(а)
пу (а) = ^--------------------------------------------------. (5)
/т (а)т(а)Са
a
Аналогично, можно получить обратную связь функций
nT (a) = ----'. (6)
т ,<a) *№ da ^
JT(a)
a
Учет соотношений (5) и (6) необходим при исследовании дисперсных характеристик жидкости, распыленной в вихревых аппаратах, где время пребывания капель в аппарате существенно зависит от их диаметра.
Для экспериментального исследования дисперсного состава распыленной в полом вихревом аппарате жидкости был использован фотографический метод [6]. Сущность используемого метода заключается в фотографировании потока капель в проходящем свете, излучаемом осветителем большой мощности. Фотографирование проводилось фотоаппаратом Canon Power Shot SX100 IS со следующими характеристиками: эффективное количество пикселей - 8 млн.; датчик изображения - матрица CCD 1 / 2,5 дюйма; выдержка затвора - 4 / 10000 с. Разрешающая способность объектива позволяла получать изображения капель с диаметром a >25 мкм. Для точного определения масштаба полученных на фотопленке изображений капель в фокальной плоскости объектива помещалась калиброванная нить.
Измерения дисперсного состава проводились на системе воздух-вода в аппарате диаметром 100 мм. Схема экспериментальной установки для измерения дисперсного состава жидкости показана на (рис.1). Жидкость подавалась в ороситель аппарата снизу, а ороситель имел 2 щелевые прорези длиной 10 мм и шириной 0,8 мм, выполненные под углом к оси оросителя на расстоянии 80 мм от завихрителя. Фотографирование производилось сверху через прозрачную стеклянную крышку завихрителя. Опыты проводились при коэффициенте крутки завихрителя A=2,17. В опытах менялась скорость газа на входе в завихритель (WBX= 20
- 40 м/c) и скорость истечения жидкости из оросителя, иист, в пределах 1-5 м/с.
Фракционный состав определялся в каждом опыте на основании измерения диаметров капель в получаемом изображении сечения распыла из одной щели оросителя. Полный спектр размеров капель разбивался на 9 классов со следующими границами (мм): 1) 0 - 0,0833; 2) 0,0833 - 0,1667; 3) 0,1667 - 0,25; 4) 0,25 - 0,3333; 5) 0,3333 - 0,4167; 6) 0,4167 - 0,5; 7) 0,5 -
0,5833; 8) 0,5833 - 0,6667; 9) 0,6667 - 0,75.
Результаты измерения дисперсного состава распыленной жидкости представлены на графиках (рис.2). Сопоставление частотных кривых показало, что при увеличении как скорости газа, так и скорости истечения жидкости из перфораций оросителя, максимум распределения смещается в сторону меньших диаметров капель, т.е. существует тенденция
снижения диаметров капель. Однако это смещение весьма мало так, что в практических инженерных расчетах функцию плотности распределения капель по размерам можно считать не зависящей от скоростей газа и истекающей жидкости. Слабую зависимость дисперсного состава от скорости истечения жидкости можно объяснить тем, что при высоких скоростях газа процесс распада определяется в основном силами воздействия на пленку высокоскоростного потока газа. С другой стороны, при скоростях газового потока более 20 м/с характер процесса диспергирования по-видимому приближается к автомодельному.
Рис. 2 - Распределение по размерам капель, находящихся в аппарате:
а) иист= 2 м/с; Wвx, м/с : 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40;
б) Wвx = 30 м/с; Ыист, м/с : 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3; 4 - 5
При математическом моделировании процессов тепло-и массообмена в полых вихревых аппаратах данные о дисперсности в виде функций Пу, как правило, не могут быть использованы непосредственно, и должны быть преобразованы к виду Пт, что требует данных
о времени пребывания капель различного размера в рабочей зоне аппарата. Зависимости
времени пребывания капель в аппарате от их диаметра получены в результате численного решения системы уравнений движения одиночной капли в полом вихревом аппарате:
СУ^У2+Р.3с Уотн( - и )• ^ = - УА + Р, 1С Уотн( - и ).
С: г рж 4 а а С: г рж 4 а а *
^д+МсаУ^ - и2); . С*=У* . *=и2 , (7)
С: рж 4 а С: С: г С:
где У0Тн = ] ( - Уг )2+ (и* - У*)2 + ( - иг )2 ; г,*, 2 - цилиндрические координаты; И ,Ц -компоненты скорости газа и капли; : - время, рг, рж - плотности газа и жидкости; д -ускорение силы тяжести; с а - коэффициент аэродинамического сопротивления капли.
Расчетные исследования времен пребывания капель различного диаметра в вихревом аппарате при различных значениях режимных параметров позволили рассчитать функции плотности распределения капель по размерам в виде зависимостей П:(а), которые
представлены на (рис.3). Рассчитанные функции распределения также слабо зависят от скорости газа и скорости истечения жидкости из перфораций оросителя.
Рис. 3 - Распределение по размерам капель, поступающих в аппарат в единицу времени:
а) иист= 2 м/с; Wвx, м/с: 1 - 20; 2 - 30; 3 - 40;
б) Wвx = 30 м/с; Уист, м/с: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3; 4 - 5
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (Гос. контракты 02.740.11.0062, 02.740.11.0753, П560).
Литература
1. Николаев, А. Н. Высокоэффективные вихревые аппараты для комплексной очистки больших объемов промышленных газовых выбросов / А. Н. Николаев, А. А.Овчинников, Н. А. Николаев // Химическая промышленность. - 1992. - №9. - С. 36-38.
2. Николаев, А. Н. Численное исследование процесса очистки промышленных газовых выбросов в многоступенчатых аппаратах вихревого типа / А. Н. Николаев, О. В. Козулина, А. А. Овчинников, Р. Р. Фатыхов // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2010. - №11. - С. 82-89.
3. Вахитов, М. Р. Тепло- и массообмен в контактных элементах экономайзеров вихревого типа / М. Р. Вахитов, Н. М. Нуртдинов, А. Н. Николаев // Вестн. Казанского технологического ун-та. - 2010.
- №10. - С. 117-124.
4. Лышевский, А. С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками / А. С. Лышевский. -М: Машгиз, 1963. - 179 с.
5. Пажи, Д. Г. Основы техники распыливания жидкостей / Д. Г. Пажи, В. С. Галустов. - М: Химия, 1984. - 255 с.
6. Мусташкин, Ф.А. Изучение диспергирования жидкости в колоннах вихревого типа / Ф.А. Мусташкин, Н. А. Николаев, А. М. Николаев // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология. - 1970.
- Т.13. - №9. - С. 1370.
© М. Р. Вахитов - асп., Исследовательский центр проблем энергетики КНЦ, [email protected]; Н. М. Нуртдинов - - канд. техн. наук, доц. каф. пищевой инженерии малых предприятий КГТУ; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КГТУ.
