CC BY
78
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ В РЕЖИМЕ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНЫХ КАПЕЛЬ
Систер Владимир Григорьеви ч
член-кор. РАН, д-р техн. наук, профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) г. Москва
Крюкова Елена Николаевна аспирант Московского государственного машиностроительного
университета (МАМИ), г. Москва E-mail: krnelena@mail. ru Рустамбеков Михаил Константинови ч канд. техн. наук, главный научный сотрудникГИАП, г. Москва
STUDY OF A SWIRL-TYPE NOZZLE WORK IN MODE OF OBTAINING
LARGE-SCALE DROPLETS
Sister Vladimir
Corresponding member of the RAS, Doctor of Engineering Science, professor of Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Moscow
Kryukova Elena
Postgraduate of Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI),
Moscow Rustambekov Mikhail
Senior Scientist of GINI (Grodno Scientific Research Design Institute of Nitrogen Industry and Organic Synthesis Products), Candidate of Engineering Science,
Moscow
АННОТАЦИЯ
Поставлена задача исследования процесса диспергирования жидкости центробежной форсункой с целью получения однородного дисперсного состава капель. Рассмотрены основные методы изучения процесса диспергирования, а также возможные способы обработки результатов. Представлены результаты эксперимента по исследованию дисперсного состава на воде.
ABSTRACT
The aim of the work is to examine the process of liquid dispersion using a swirl-type nozzle in order to get the clean size distribution of droppings. There are briefly reviewed the principle methods of dispersion study as well as the possible processing techniques of the results. There is presented the size distribution on water research data.
Ключевые слова. Диспергирование капель, центробежная форсунка, распыл, дисперсный состав, узел генерации капель, пленка жидкости, вставка форсунки.
Key words: dispersion of droppings; swirl-type nozzle; spray; size distribution; node point of droppings generation; liquid film; nozzle insert.
Актуальность темы. На сегодняшний день имеется множество литературы и научных работ по описанию [1, 7, 8] процесса распыливания жидкостей центробежными форсунками в воздушный поток и, как следствие, достаточно хорошо изучен. Но вот использование центробежной форсунки с целью получения крупных капель (>1000 мкм) редко применяется в промышленности, и поэтому было недостаточно изучено. В то же время, например, при необходимости гранулировать расплавы суспензий минеральных удобрений, в градирнях для уменьшения потерь воды, а так же при искусственном дождевании в сельском хозяйстве целесообразно использовать именно форсунки, работающие в режиме образования крупных капель [6, 4].
Размер капель, получаемых при диспергировании жидкости центробежными форсунками, является одной из ключевых характеристик, определяющих эффективность эксплуатации производства. Например, в производстве минеральных удобрений основными показателями качества продукции являются гранулометрический состав и прочность.
Главной задачей работы является определение условий, обеспечивающих получение как можно большего количества капель, соответствующих требуемым качественным характеристикам.
Метод исследования. Для выбора рационального метода исследования диспергирования жидкости центробежной форсункой в режиме образования крупных капель были рассмотрены некоторые существующие методы, из которых наиболее широко применяются два метода:
• счетно-импульсный метод, основанный на получении изображения капель с помощью импульсных источников света с последующим расчетом и
обработкой полученных изображений (как правило, вручную);
• метод улавливания капель, основанный на улавливании некоторого количества капель иммерсионной средой, также с последующим обсчетом вручную [7].
Оба метода достаточно трудоемкие, занимают много времени и имеют большую погрешность измерения.
Для быстрого и надёжного анализа спектра размеров получаемых частиц мы использовали лазерный анализатор Брга^ес, измеряющий размеры частиц в диапазоне до 2500 мкм, и позволяющий получать за очень короткое время дифференциальную и интегральную кривые распределения капель по размерам, в реальном режиме работающей форсунки. В основу работы прибора Spraytec заложен метод лазерной дифракции, основанный на регистрации интенсивности рассеянного света, угловая зависимость которого определяется размером и оптическими свойствами частиц. С помощью системы Spraytec можно получать результат каждые 100 мкс, что обеспечивает высокую точность анализа динамики распыления жидкости. Луч лазера передается через капли в измерительной зоне и с помощью линзы фокусируется в плоскость детектора. Далее производится измерение углового распределения света, рассеянного частицами. Таким образом снятая угловая зависимость интенсивности рассеянного излучения обрабатывается и вычисляется распределение частиц по размерам с помощью алгоритма анализа многократного рассеяния [9].
Ход эксперимента. Для проведения экспериментов нами была создана экспериментальная установка (рис. 1).
Рисунок 1. Экспериментальная установка
Узел генерации капель состоит из: центробежной форсунки, закрепленной на металлическом каркасе; стеклянного куба, вставленного в поддон для сбора жидкости, бак для сбора и нагнетания жидкости. Давление исходной жидкости определяется манометром, установленным перед форсункой, расход — при помощи двухканального расходомера Ш800. Значение расхода исходной жидкости регулируется вентилем, установленным на линии нагнетания.
Насосом жидкость по трубопроводу поступает к форсунке, далее закручивается по каналам внутренней вставки и выходит из сопла форсунки сначала в виде закрученной пленки, а с увеличением расхода и давления — закрученным потоком образующихся капель. В этот момент определяется дисперсный состав образовавшегося факела распыла жидкости с помощью прибора Spraytec.
Для более наглядного и подробного изучения динамики процесса образования капель была использована скоростная видеосъемка (до 5 000 кадров/с). Кадры пробной серии экспериментов с применением сверхскоростной видеокамеры представлены на рис. 2.
Рисунок 2. Образования «дыр» на пленке жидкости
Из рис. 2 видно, что пленка жидкости, образующаяся на выходе из сопла форсунки, распадается на капли вследствие образования «дыр» и последующим их ростом. На основании литературных данных [4, 7, 8 и др.], а также полученных кадров фотоприборов в стробоскопическом свете и кадров скоростной видеосъемки, можно утверждать, что распад пленки происходит в следующем порядке:
• образование первичных (крупных и мелких) волн на пленке;
• образование и дальнейший рост «дыр» в пленке;
• стягивания перемычки между «дырами» в жгуты и дальнейший распад их на капли.
Для визуализации процесса образования капель были проведены видеосъемки (рис. 3) в свете стробоскопических вспышек. Установив стробоскоп на частоту вспышек, совпадающей с частотой съемки камеры мы получили четкую картину процесса. Кадры стробоскопической видеосъемки процесса диспергирования центробежной форсункой со вставкой, имеющий шаг закрутки каналов 18 мм, представлены на рис 3 а. Для сравнения на рис. 3 б
представлен кадр эксперимента на форсунке с той же вставкой, сделанный при освещении фотовспышкой, на рис. 3 в без вспышек.
а б в
Рисунок 3. Факел распыливания центробежной форсункой: а--------
стробоскопическая съемка процесса диспергирования жидкости центробежной форсункой при давлении 0,1 Па и расходе 2,0 м3/час; б — фотосъемка при освещении фотовспышкой (параметры процесса такие же); в — обычная фотосъемка при дневном свете без дополнительных
эффектов
Форсунка (рис. 3) имеет вставку с 3-мя закрученными каналами, по которым поток воды закручивается и приобретает ускорение на выходе из сопла.
Литературные источники приводят восемь режимов распада закрученной струи [8]:
1. Жидкость истекает из форсунки сплошной струей, распадающейся на крупные капли.
2. Жидкость истекает из форсунки прозрачным пузырем, замыкающимся в одной точке, из которой происходит распад на капли (рис. 4).
3. Жидкость истекает в форме тюльпана с цилиндрической частью.
4. Жидкость истекает тюльпаном конической формы.
5. Жидкость истекает тюльпаном конической формы с образованием в центре маленьких капель.
6. Из сопла форсунки идет мгновенное образование капель, без пленки
жидкости.
7. Далее распыливание заключается в образовании более мелких капель, и они еще отчетливо видны.
8. Жидкость выходит в виде тумана.
Для примера на рис. 5 а представлен второй режим распада пленки. Данное фото было сделано при помощи стробоскопа. Пленка жидкости истекает в виде пузыря, сужающегося к низу, который далее распадается на капли. На указанном снимке можно видеть наклонную цепочку капель, образующихся по кромке «дыры». На рис. 6 б приведен тот же режим, снятый без стробоскопической вспышки.
Возможности существующей экспериментальной установки позволяют осуществлять режимы 1—6. При этом целью нашего исследования являются режимы 3, 4, а также режим 6. Исследования проводятся на модельных вставках с шагом закрутки канала: 8 мм, 10 мм, 12 мм, 14 мм, 16 мм и 18 мм, а также на различных модельных жидкостях, имеющие заданные параметры: плотности, вязкости и поверхностного натяжения.
Распад пленки жидкости во всех разновидностях объясняется или
%
V,
Iг
Рисунок 4. Конструкция экспериментальной форсунки
возникающими в пленке капиллярными волнами, или турбулентными пульсациями. Для описания вышеуказанных режимов предлагаются безразмерные критерии подобия, связывающие влияние сил инерции, вязкости и поверхностного натяжения. Для третьего режима принят критерий,
„ р,(У,Л,
связывающим силы инерции и поверхностного натяжения------------------- ; для
(7
л ~ РэкУж^э ~ ~
режима 4 тот же критерии -------------- плюс критерии, связывающий силы
ст
РжужЛэ
инерции и вязкость ; для режима 6 — критерии связывающий силы
М.
р V СІ
г ж ж э
инерции и вязкость [8].
а б
Рисунок 5. Вторая форма распада пленки: а - при стробоскопической
вспышке; б - обычная фотосъемка
Результаты эксперимента. На данном этапе проведены серии опытов на воде. На основании полученных результатов дисперсного состава построены графики (рис. 6) для дальнейшего анализа полученного распределения капель, при диспергировании воды центробежной форсункой со вставками, имеющими
шаг закрутки каналов — 8, 10, 12, 14, 18 мм.
Рисунок 6. Графики распределения дисперсного состава капель, образующихся при диспергировании воды центробежной форсункой, где £
— значение расхода воды, м /ч
Предварительно, можно выделить режимы диспергирования жидкости, при которых мы получаем более однородный дисперсный состав капель, а также определить влияние геометрических характеристик на качество процесса диспергирования.
Параметры эксперимента, проведенного на воде, представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры процесса диспергирования воды центробежной форсункой
Вставка Шаг 18 пластик Шаг 14 пластик Шаг 12 пластик Шаг 10 пластик Шаг 8 Пластик
№ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Давление Р, Па о сГ о” »п |> сГ - со о” »п о” »п |>, о" О, С2 о" 10 1> С2 »п С2 0,85 5 0,65 5 00 2,75
^ £ х /3 ас м3 00, С<Г ю О, Ю, °Я |> о, 00, 9 о, - Ю, - 00,
На представленных графиках видно, что наиболее однородное распределение капель получается при наименьшем расходе. Данный процесс может объясняется возникновением меньшего количества возмущений в пленке жидкостей, ведущих к ее дальнейшему разрушению на капли разного размера, и большим влиянием сил инерции и поверхностного натяжения.
Вывод. Изучив расходные и геометрические характеристики процесса диспергирования жидкостей при помощи центробежной форсунки с помощью современных методов и смоделировав процесс, можно будет подобрать оптимальные расчетные зависимости для получения желаемого дисперсного состава.
Предстоит также изучить влияние вязкости и поверхностного натяжения на процесс получения крупных капель при диспергировании центробежной форсункой и вывести закономерности, на основании которых можно судить о их влиянии на однородность дисперсного состава капель.
Список литературы:
1. Витман Л.А. Распыливание жидкости форсунками / Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Панеев Н.И.. М.: Госэнергоиздат, 1962. 265 с.
2. Дубровский В.В., Подвысоцкий А.М., Баштовой А.И. Определение дисперсного состава капель при распыливании жидкости из центробежной форсунки // УДК 532.529. Институт общей энергетики НАН Украины, Киев, Украина. 2004. С. 94—99.
3. Ермолаев В.В. Нетрадиционные методы воздействия на жидкость при
диспергировании центробежной форсункой // ТПА Расчеты и конструирование. Трубопроводная арматура и оборудование / 2 (23). 2006. С. 76—78.
4. Исаев А.П. Гидравлика дождевальных машин. М., 1973. С. 14—29.
5. Карачинов В.А., Ильин С.В., Торицин С.Б., Карачинов Д.В. Телевизионные методы диагностики форсунок // Вестн. новгородского гос. ун -та. 2004. № 26. С. 155—160.
6. Олевский В.М. Технология аммиачной селитры / В.М. Олевский. М.: Химия, 1978. С. 82—101.
7. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Распылители жидкостей / Пажи Д.Г. М.: Химия, 1979. 214 с.
8. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. Л.: Машиностроение,
Ленинградское отделение, 1976. 168 с.
9. Dr. Alan Rawle, BASIC PRINCIPLES OF PARTICLE SIZE ANALYSIS Written by Dr. Alan Rawle,Malvern Instruments Limited, Enigma Business Park, Grovewood Road, Malvern, Worcestershire, WR14 1XZ, UK
