Методические рекомендации к лабораторной работе для студентов специальностей 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий» и260601 «Машины и аппараты пищевых производств» (стр. 3 из 8)

Пневматические форсунки отличаются тем, что жидкость в них дробится под воздействием подаваемого под давлением воздуха или газа. Эти форсунки условно можно разделить на две группы: низкого и высокого давления. К первой группе относятся форсунки с избыточным давлением распыляющего агента до 10 кПа, ко второй от 100 до 1000 кПа и более. Пневматические форсунки широко используются для распыления вязких жидкостей и растворов. Их применение особенно целесообразно, если в растворе содержатся твердые частицы. Большие размеры проходных сечений каналов форсунки значительно снижают вероятность их засорения.

В ультразвуковых форсунках струя или пленка жидкости, вытекающая из отверстия или щели, дробится под воздействием ультразвуковых колебаний воздуха, создаваемых генератором, или под действием быстрых вертикальных перемещений пластинки, происходящих с ультразвуковой частотой. Форсунки обеспечивают хорошую дисперсность распыления жидкости, достигающую в некоторых конструкциях 10…15 мкм. Однако эти форсунки, как правило, используются в технологических процессах с небольшими расходами жидкости, от 40 до 80 кг/ч.

В центробежных распылительных механизмах пленка жидкости, создаваемая при вращении диска, стекает с его кромок и, становясь неустойчивой, распадается на капли. В настоящее время определены основные схемы механизмов, для которых четко просматривается тенденция использования больших частот вращения диска от 200 до 300 1/с, при окружных скоростях диска от 90 до 150 м/с.

Известно [2], что распад струи, вытекающей из распылителя, связан с развитием в ней нестационарных колебаний, прогрессирующих вследствие нарушения равновесной формы свободной поверхности струи. Установлено, что существует два типа разрушения струй. По первому типу в результате действия сил инерции и поверхностного натяжения струя расширяется. Возникают турбулентные возмущения, скорость роста которых не зависит от скорости истечения [20]. Этот режим характерен для невысоких скоростей жидкости. При увеличении скорости истечения возникают возмущения второго типа: струя становится синусоидальной.

Дробление для первого режима течения определяется силами поверхностного натяжения, а для второго – сопротивлением воздуха движению гребней волн. Существует критическая скорость, при которой скорость синусоидальных возмущений растет с той же скоростью, что и расширение, поэтому при скоростях истечения, более высоких, чем критические, синусоидальные возмущения разрушают струю раньше, и длина непрерывного участка с увеличением скорости сокращается.

В работе [2] приведены фотографии факелов, вытекающих из центробежных форсунок. Показано влияние давления и физических свойств жидкости (вязкости и поверхностного натяжения) на форму распадающейся струи жидкости. Фотографии позволяют рассмотреть факел распыла воды при различных давлениях. При малой величине избыточного давления (от 40 до 50 кПа) скорость истечения мала и под действием сил тяжести и поверхностного натяжения образуется «пузырь», по периферии которого заметны многочисленные складки. При незначительном увеличении давления (до 70 кПа) «пузырь» превращается в пустотелый конус с углом при вершине, равным 90°. Опыты показали, что величина этого угла сохраняется в широком диапазоне изменения давлений. Из периферийных складок на плёнке жидкости образуются нити и шнуры, которые затем распадаются на отдельные капли. При дальнейшем росте давления (до 200 кПа) скорость истечения возрастает, струя становится турбулентной и механизм распада изменяется. Две серии волн, действующих под прямым углом друг к другу, образуют слой жидкости, характеризующийся высокой турбулентностью. Вследствие радиальных пульсаций скорости поверхность турбулентной струи становится неровной и распад плёнки начинается на меньшем расстоянии от сопла форсунки. При увеличении давления
до 700 кПа двойные волны ещё заметны, однако доминирующими
в процессе распада струи распыляемой жидкости становятся периферийные волны. С увеличением вязкости жидкости продольные волны исчезают. При росте избыточного давления до 700 кПа турбулентность уменьшается, что вызывает задержку распада плёнки распыляемой жидкости. При дальнейшем увеличении вязкости жидкости и том же избыточном давлении факел теряет гладкую коническую форму. Таким образом, при распылении жидкостей сравнительно малой вязкости образуется плёнка с высокой турбулентностью. С увеличением вязкости при одновременном повышении давления турбулентность уменьшается и плёнка разрывается на большем удалении от сопла форсунки.

Поверхностное натяжение также влияет на дисперсность распыляемой жидкости. При распылении жидкости, имеющей низкие значения поверхностного натяжения, например воды, происходит быстрый распад струи, образующаяся плёнка имеет повышенную тенденцию к образованию на своих краях «шнуров», которые распадаются на капли. С увеличением поверхностного натяжения наблюдается общее замедление распада струи распыляемой жидкости. Заметное влияние на дисперсность оказывают также толщина плёнки жидкости, скорость её движения, плотность и вязкость окружающей (рабочей) среды.

Особенности распыления и дробления капель в устройствах с вращающимся распылителем связаны с тем, что при стекании с кромок вращающегося диска плёнка жидкости становится неустойчивой и распадается на капли. Дроблению жидкости на капли в центробежных вращающихся устройствах посвящен ряд работ [21], в которых отмечается образование краевого утолщения на наружной кромке диска. Жидкость не стекает с диска до тех пор, пока силы инерции не преодолеют равновесия между центробежной силой и силой тяжести. Формула для определения диаметра краевого утолщения рассмотрена в работе [22].

Установлено три режима дробления жидкости на капли: отрыв капель непосредственно с краевого утолщения, распад струи и разрушение плёнки. Когда силы инерции нарушают равновесие, излишки жидкости выбрасываются из краевого утолщения в виде капель. Каждая капля увлекает за собой из утолщения струйку жидкости и при небольшой вязкости (кинематическая вязкость

< 3·10^-6 м²/с) отделяется вблизи кромки диска. Оставшаяся струйка под действием сил
поверхностного натяжения возвращается в краевое утолщение, пока новые порции поступающей жидкости не вызовут повторения описанного процесса. Капли, образованные по этому механизму, называются первичными каплями.

С увеличением вязкости

> 5·10^-6 м²/с струйки жидкости становятся достаточно стабильными и при разрушении не возвращаются в краевое утолщение. При этом образуются вторичные капли, более мелкие, чем первичные. Этот же режим может быть результатом не только увеличения вязкости, но и некоторого увеличения производительности. Последующее увеличение производительности может привести к срыву жидкости с диска в виде плёнки, которая затем разрушается с образованием совокупности неоднородных по размеру капель. При отсутствии дополнительных эффектов типа ударных и колебательных возмущений можно определить ту критическую производительность, после увеличения которой, формирование капель приобретает нестабильный, неустойчивый характер. Исследования механизма пленочного дробления вязких жидкостей и анализ распределения размеров капель приведены в работе [23]. Физическая картина дробления жидкости на лопастных и сопловых дисках, наиболее широко применяемых на практике, аналогична случаю применения гладких дисков.

Рассматривая вопросы распыления, нельзя не сказать о процессе коалесценции капель жидкости. За пределами распылителя из-за неоднородности скоростей частиц различного диаметра, их поперечных перемещений под воздействием собственного вращательного движения и турбулентных пульсаций происходят соударения частиц. В зависимости от действия этих факторов возможно слияние частиц между собой или дробление неустойчивых капель. Среди немногочисленных исследований по данному вопросу можно отметить работу [24], в которой различают два механизма слияния капель: за счет различия скоростей крупных и мелких капель (ортокинетическая коагуляция) и под действием пульсационного движения (турбулентная коагуляция). В работе показано, что увеличение объемной концентрации капель с 3,7·10^-4 до 8,1·10^-4 приводит к заметному снижению дисперсности частиц. Установлено также, что силы конвективных течений между каплями примерно в два раза сокращают силы отталкивания капель. Анализ ряда исследований по механическому взаимодействию частиц между собой [25] позволил сделать вывод о том, что если объемная концентрация частиц в газе не превышает значений 5·10^-3…10^-2 м³/м³, то взаимодействием частиц между собой можно пренебречь.