CC BY
52
621.647.3:664
МЕТОДИКА РАСЧЕТА АКУСТИЧЕСКОЙ ФОРСУНКИ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ЗАВИХРИТЕЛЕМ
А.М. ГАПОНЕНКО, А.К. ГОДИН,
С.В. НИЧЕПУРЕНКО, С.В. ЦЫБИН
Кубанский государственный технологический университет
Применяемые для распиливания жидкостей в молочной и смежных с ней отраслях пищевой промышленности акустические форсунки с прямоструйной подачей жидкости в зону распиливания [ 1, 2 j просты в изготовлении и позволяют получать мощные акустические колебания, но используются они для диспергирования все еще недостаточно. В целях интенсификации процесса распыливания разработана акустическая форсунка с центробежным завихрителем [3], схема которой показана на рис. 1.
Рис. 1
На корпус / форсунки навинчена накидная гайка 2, образующая со стенками соплового аппарата 3 генератор акустических колебаний, включающий кроме этого стержень-втулку 4 и резонансную плоскость 5, кольцевое сопло для выхода продукта 6 и между своей передней торцевой стенкой и торцом корпуса / — камеру закручивания 7. Входные каналы 8 ориентированы таким образом, чтобы их оси были направлены под некоторым углом к камере закручивания 7, скрещиваясь с осью форсунки. Для уменьшения гидравлических потерь в тракте распиливающего газа и увеличения его скорости на выходе перед сопловым аппаратом 3 установлен конический рассекатель 9.
Работает форсунка следующим образом. Жидкий продукт подается из каналов 8 в камеру закручивания 7 и истекает из кольцевого сопла 6 в виде жидкостной пелены (рис. 2). При подаче распиливающего газа между резонансной полостью и со-
пловым аппаратом генерируются акустические колебания, которые, воздействуя на жидкостную пелену, образуют туманообразный факел диспергированной жидкости (рис. 3).
Рис. 2
Рис. 3
Камера закручивания служит для преобразования прямоструйного движения жидкости во вра-щательно-поступательное. Этот процесс осуществляется благодаря подаче жидкости под углом к камере закручивания, из которой вращающийся поток жидкости перемещается в сопло, а затем вытекает из него под некоторым углом, вследствие прекращения действия центростремительных сил на поток, в виде пелены.
Для расчета центробежных форсунок используют опытные зависимости и коэффициенты, полученные для определенных форсунок, но они не обладают достаточной универсальностью для расчета сконструированного завихрителя вследствие следующих конструктивных и режимных особенностей завихрителя акустической форсунки: завихритель имеет малое задаваемое отношение радиуса закручивания к радиусу сопла Я//?с< 1;
геї
ПЛ(
зн;
пл(
оме
ент
г
глеи
фор
жщ
пыл
д
счи
мет
вук
коп
г
исп
стеі
разі
пре;
чей
[4].
G
акуі
мос
ГО і фор
где
Ра
где
П|
ходя тий : Сс выяв
ВИИ,
гене]
телы
Ог
генер
числ^
№1,1997
17,3:664
ские ко-йстную Ідисгіер-
азова-
0 вра-цеств-пом к рлйся затем іствие х сил
эльзу-полу-ІИ не
1 рас-ствие обен-
ІЄНИЄ
<1;
внутри сопла завихрителя встроена деталь сопла генератора значительно большей площади, чем площадь входных каналов, что определяет большое значение отношения площади выходного сопла к площади входных каналов, большую величину геометрической характеристики и малый коэффициент расхода завихрителя;
перепад жидкости в завихрителе во много раз меньше, чем у применяемых в настоящее время форсунок, так как он необходим лишь для создания жидкостной пелены, а не для окончательного рас-пыливания;
диаметр выходного сопла завихрителя не рассчитывается, а задается, исходя из величин диаметра генератора и кольцевого канала, препятствующего засорению твердыми включениями жидкого продукта.
По результатам стендовых и промышленных испытаний, на основании выявленных зависимостей оптимальных соотношений геометрических размеров и режимных характеристик форсунки, предлагается следующая методика расчета акустической форсунки с центробежным завихрителем [4].
Общая площадь сопловых отверстий генератора акустических колебаний рассчитывается в зависимости от располагаемого давления распиливающего агента (Яр = 0,21—1,0 МПа) по следующей формуле:
/V.
(1)
И;
2 к /с-Ь 1
к+1
Рп°п
Р' Р
где
где
показатель адиабаты, равный для воздуха 1,4; для сухого насыщенного водяного пара 1,135; для перегретого водяного пара 1,3; р — плотность распиливающего агента, кг/м3;
ц — коэффициент расхода сопловых отверстий генератора, принимается равным 0,7.
Расход распиливающего агента равен
Ор = Ярст , (2)
удельный расход распиливающего агента, принимается равным 0,05—0,10 кг/кг; производительность форсунки, кг/с.
Производительность форсунки определяется исходя из технологических потребностей предприятий и установок.
Согласно рассчитанной площади отверстий Fc и выявленным оптимальным параметрам, при условии, что диаметр стержня ¿ст = 0,007 м, размеры генератора определяются в следующей последовательности.
Оптимальное количество сопловых отверстий генератора вычисляется с округлением до целого числа
Ст
и = 3,3 +
1
-10’
+
^•Ю4 + Л-10'
(3)
Диаметр соплового отверстия определяется по зависимости
-3
=
7-Ю“
(4)
0,42лс-1,4
Диаметр окружности, описывающей центры отверстий, рассчитывается согласно выражению
йо = 7-10 3 + 1,4<*с. (5)
Подставляя в следующую формулу рассчитанные значения пг и ¿с, уточняем площадь сопловых отверстий
ппй1
я =
. і2 С С
(6)
По уравнению (1) вычисляем действительный расход распыливающего агента С?, а по уравнению (2) — удельный расход дг Если значение др меньше требуемого, то количество сопловых отверстий уменьшится на единицу и расчет повторяется с формулы (4).
Наружный размер генератора
Дг = <*о + <*с +0.6-2,ОНО-3. (7)
Внутренний размер генератора определяется из условий достаточной прочности конструкции и может быть принят согласно выражению
/>вн - £>г - (3,0—3,5)-10 3, (8)
но при этом проходное сечение тракта распыливающего агента до сопловых отверстий должно быть не менее 1,5/%.
Длина сопла принимается равной
/с = (2,0-2,5) ¿с. (9)
Глубина засверловки сопловых отверстий
К = /с + ¿с(1,0—2,0). (10)
Угол рассекания^ принимается равным 5—10°, а диаметр его основания
¿ос„ = (¿0 - О - 0,2-10~3. (11)
при диаметре ножки й¥ - 5-Ю"3 м.
Расстояние сопло—резонатор рассчитывается из условия максимальной генерации акустических колебаний
/ = 3,5йс, ’ (12)
но при наладке форсунки может быть изменено в зависимости от требуемого угла раскрытия факела распыленной жидкости.
Диаметр резонирующей полости определяется максимальным диаметром выхода распыливающего агента
= <А-.
Глубина резонирующей полости
Ар = 3,5*с.
03)
(14)
Угол среза края резонансной полости должен быть острым при толщине края (13—38)-10 3 м.
Расчет радиуса сопла завихрителя проводится из условий надежного функционирования кольцевой щели при данной фильтрации жидкости
Rq = 0,5DT + (0,75—2,00)-10 3. (15)
Площадь сечения эквивалентного отверстия завихрителя рассчитываем согласно заданному давлению и температуре подогрева жидкости по формуле ’ ' -
G
F =------i_f . ....... (16)
\ 2р«р, где Рж — избыточное давление жидкости пе-
ред форсункой, Па;
Рж — плотность жидкости, определяемая по формуле
Рж=Рж20 + И20-О-Ю3, (17)
где рж — плотность жидкости при 20°С,
кг/м3;
tm — температура подогрева жидкости, С,
у — средняя температурная поправка плотности, 1/°С, определяемая по [5].
Число Рейнольдса вычисляется по формуле ш. 4F /п -»
А -
Re =
где
(19)
где
т
/ R \ JL ц = (0,24+—-)А м,
RRC
(24)
где
Re
(18)
соэ — эквивалентная скорость жидкости, ^ = 2 Рж /рж, м/с;
V — кинематическая вязкость жидкости, м2/с, определяется по [5]. Коэффициент расхода завихрителя вычисляется по выражению
Цт тяЩ ’
множитель, характеризующий состояние и физические свойства жидкости; при Re>1800 т = 1, в противном случае величину т необходимо определять по зависимости
т = 0,13Re°’21. (20)
Основные геометрические размеры завихрителя определяются исходя из полученной величины ¡лт и требуемого корневого угла факела распыленного жидкого продукта ар, определяющего значение угла выхода топливной пелены из завихрителя ап (ая<ар), при совместном решении следующих зависимостей:
ар = 98АЕеЛ°',2(Я/Яс)0-28 (RJHJ0M; (21)
R = Rgxsin р cos 0; (22)
0,96
(23)
коэффициент, учитывающий режим течения жидкого продукта в завихрителе, при Re <(53—Л)-103
........ Ar. = 0,33(Re)°’ , при
Re>(53—А)-103 ДЕе = 1;
А — геометрическая характеристика завихрителя;
R — эффективная величина закручивания;
7?к — радиус камеры закручивания, м, величина которого выбирается из конструктивных соображений минимально возможной, но больше (0,50-2,2 rj;
#к — высота камеры ракручивания, м, принимается;
RBX — расстояние от оси камеры закручивания до оси входного канала, м, задается;
ß — угол наклона входных каналов к оси сопла, град, зависит от требуемого угла ап;
0 — угол наклона входных каналов от тангенциального направления, - ’ град, получается конструктивно из
ь условий компактности головки
; ;;j- ч; форсунки;
пвх — число входных каналов, п = 2—6;
гвх — радиус входного канала.
Длина сопла завихрителя Lc принимается равной радиусу сопла /?с.
Длина входного канала должна быть не менее двух его диаметров.
ВЫВОДЫ
Предлагаемая методика расчета акустических форсунок с центробежным завихрителем позволяет на основе полученных зависимостей осуществить выбор и проектирование оптимальных геометрических и. режимных параметров генератора акустических колебаний струйного типа и завихрителя с малой круткой потока.
Акустические форсунки с центробежным завихрителем могут быть использованы в молочной промышленности для технологических процессов по изготовлению сухого молока и сливок, а также в сушильных установках предприятий химической промышленности и энергетики.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.c. 612117 СССР. Форсунка / А.М. Гапоненко, А.К. Годин. — Опубл. в Б.И. — 1978. — № 23. 2.
2. Рудаков Я.Д., Геллер З.И., Гапоненко AJVL, Рудаков
Г.Я. Влияние акустических колебаний на качество распиливания жидкостей акустическими форсунками / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1972. — № 4. — С. 165.
3. A.c. 657217 СССР. Форсунка / А.М. Гапоненко, А.К. Годин. — Опубл. в Б.И. — 1979. — № 14.
4. Гапоненко А.М., Годин А.К. Расчет центробежного завихрителя акустической форсунки // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1980. — №2 — С. 141.
5. Геллер З.И. Мазут как топливо. — М., 1965.
Кафедра тепловых электрических станций Поступила 30.01.97
