Представляет интерес характер изменения расхода жидкости через центробежную форсунку и формы факела с изменением температуры жидкости. С увеличением температуры сначала происходит медленное сокращение массового расхода, связанное с уменьшением вязкости и плотности. Затем, после достижения некоторой температуры, начинается резкое уменьшение расхода через форсунку до тех пор,
пока через неё не пойдет только пар. Такое резкое уменьшение расхода вызвано закипанием жидкости в форсунке. При работе центробежной форсунки с кипящей жидкостью её факел с увеличением содержания пара значительно изменяет форму.
В закрытых центробежных форсунках с увеличением интенсивности образования паров жидкости значительно увеличивается давление в ядре потока камеры закручивания и по оси форсунки [2]. Дальнейшее увеличение содержания пара вызывает резкое уменьшение давления пара в центре камеры закручивания, которое становится даже ниже давления среды, в которую происходит истечение жидкости. В отдельных случаях, например, при сушке термостойких растворов, может оказаться целесообразным распыление их под большим давлением и при значительном перегреве. Для рассматриваемых условий, как показано в работах [4, 26, 27], выгодно применять струйные форсунки. В этих же работах приведены основные закономерности распыления и распределения жидкости в факеле распылителя.
Особенностью таких форсунок является короткое цилиндрическое сопло, длина которого не превышает двух его диаметров, и конусный вход и выход. Исследования, рассмотренные в работе [26], проведены с форсунками, которые имели диаметры сопел от 0,3 до 0,8 мм, углы входа в сопло от 20 до 90° и выхода из него от 30 до 150°. Жидкость подавалась под давлением от 1,2 до 1,5 МПа. Процесс образования пара из перегретого раствора происходил после его выхода из сопла. Угол факела распыленной жидкости достигал 40°. Наибольшая плотность орошения в факеле наибольшая наблюдалась по оси форсунки. По мере удаления от форсунки плотность орошения по сечению выравнивается. С ростом температуры раствора происходит некоторое уменьшение интенсивности орошения в центре факела.
1.4 Влияние конструктивных факторов на работу
центробежных форсунок
Выбранная схема форсунки должна обеспечивать заданную дисперсность жидкой среды при минимальном давлении на входе в форсунку. Это возможно в том случае [2], если в камере закручивания, сопловом отверстии и тангенциальных каналах форсунки трение будет минимальным. Для уменьшения трения тангенциальные каналы должны быть предельно короткими, а число их сведено до минимума.
Обычно допускают длину тангенциального канала, составляющую от одного до двух его диаметров. Меньшая длина не обеспечивает осевое направление движения жидкости в канале. Если требуется
равномерное распределение распыленной жидкости, то число тангенциальных каналов должно быть не меньше двух-трех. Причем больше трех тангенциальных каналов рекомендуется делать только в том случае, когда их диаметр превышает разность значений радиуса камеры закручивания и сопла. Если диаметр тангенциального канала существенно превышает радиус камеры закручивания, то возникают значительные потери энергии в результате гидравлического удара при смешивании жидкости, поступающей из тангенциальных каналов, и жидкости, вращающейся в камере закручивания. Если диаметр тангенциа-льного канала мал в сравнении с диаметром камеры закручивания, то вследствие малой разности скоростей смешивающихся струй потери энергии от гидравлического удара будут невелики.
В предварительных расчетах можно принимать коэффициент расхода тангенциальных каналов равный 0,68. Оси тангенциальных каналов расположены относительно оси форсунки обычно под углом 90°. В большинстве случаев изготавливают центробежные форсунки, которые обеспечивают угол факела распыленной среды от 80 до 90°. Они рассчитаны на то, чтобы обеспечить минимальное трение. Однако вследствие сложности изготовления проточной части форсунок малых размеров не всегда возможно соблюсти требуемые геометрические соотношения.
Важный момент для совершенствования конструкций форсунок, кроме разработки методики расчета основных технологических и конструктивных параметров их, заключается в возможности изготовления основных элементов распылителя с минимальными допусками. Вопрос о технологии изготовления форсунок приобрел особое значение в настоящее время, когда во многих отраслях народного хозяйства используются агрегаты большой производительности, в которых устанавливается несколько форсунок. В этом случае предъявляются повышенные требования к точности совпадения расходных характеристик каждой из них. Конечно, невозможно изготовить комплект форсунок, которые имели бы совершенно одинаковые характеристики по расходу жидкости. Однако исходя из требуемой точности совпадения расходных характеристик отдельных форсунок можно найти, с какими допусками должны быть выполнены размеры распылителя, чтобы удовлетворить поставленным требованиям.
Для форсунки любого типа важно знать допуски не только на основные элементы, обеспечивающие взаимозаменяемость, но и на возможный их износ при эксплуатации. Поэтому, прежде всего, нужно найти зависимости отклонения расхода жидкости от точности выполнения основных геометрических размеров деталей распылителя.
Расход жидкости, в свою очередь, влияет на размеры капель жидкости и их распределение. Из рассмотрения форсунок разных типов видно [5], что наибольшая точность должна выдерживаться при выполнении форсунок центробежного типа. Для количественной оценки влияния конструктивных параметров и точности выполнения углов центробежных форсунок на изменение расхода жидкости используется метод малых отклонений.
Достижение стабильности характеристик форсунок связано с условиями их эксплуатации. Несмотря на фильтрование жидкости, механические примеси всё же попадают в трубопровод, в том числе и в распылитель, вызывая его интенсивный износ. При этом изменяются геометрические размеры каналов форсунки, нарушается нормальная её работа и уменьшается срок эксплуатации. Абразивный износ внутренних поверхностей, особенно стенок сопла, приводит к изменению формы факела, увеличению расхода жидкости и укрупнению капель. Скорость износа определяется степенью загрязненности жидкости механическими примесями, их составом, а также давлением жидкости. Для повышения надежности работы форсунок необходимо соблюдать требования инструкции по их эксплуатации. Все форсунки время от времени необходимо разбирать для чистки и проверки. Подготовленные к эксплуатации форсунки рекомендуется проверять на стенде. Особое внимание обращается на отсутствие течи жидкости из соединений, достижение необходимой производительности, требуемой величины угла факела, качества распыления и симметрии факела.
1.5 Измерение скорости капель и газовой среды
при распылении
Для определения скорости капель наиболее часто используется метод скоростной киносъемки. Для этих целей широкое применение находят серийно выпускаемые кинокамеры, работающие с частотой кадров 1500 с-1. Известны также методы радиоизотопного определения скорости частиц [28] и [29], метод светового трассирования и некоторые другие. Предложен способ определения средней скорости совокупности частиц, основанный на использовании подвижной ловушки [30]. При малых значениях плотности и скорости капель, площади поперечного сечения ловушки высота перемещений ловушки может оказаться соизмеримой с высотой аппарата, что неприемлемо. В таких случаях рекомендуется осуществлять многократное возвратно-поступательное движение ловушки. При этом, когда ловушка движется навстречу частицам, она открыта, а когда возвращается в исходное положение – закрыта. Для успешной реализации этого способа необходимо обеспечить быстродействие заслонки и небольшую перемещаемую массу, при которой инерционность системы и динамические
перегрузки в приводном узле будут невелики. Поскольку ловушка перемещается в объеме аппарата, выбор её габаритов и скоростей определяется условиями, при которых исключается отклонение траектории капель от своего истинного направления. Погрешность при определении средней скорости частиц составляет от 10 до 15 %.
Измерение скорости газовых потоков, несущих взвешенные частицы, требует использования датчиков, защищенных от попадания частиц в контролируемую среду. Применительно к исследованиям зоны факела распыления задача измерения осложняется значительным диапазоном скоростей – от десятков метров в секунду до десятых и сотых долей метров в секунду. Если концентрация частиц в газовой среде мала, используют традиционные средства измерений гомогенных газовых потоков. В этом случае достаточна периодическая продувка датчика чистым воздухом. Способы механической сепарации частиц вызывают искажение скоростей в измеряемой зоне. Перспективен метод электростатической защиты датчика, при котором электростатическое поле отклоняет траектории частиц, незначительно воздействуя на газовую фазу. Известен метод флюоресцентного трассирования [31], применимый при остаточном давлении в аппарате от 0,95 до 1,36 кПа.
В настоящее время не существует достаточно надежных универсальных устройств, которые можно было бы рекомендовать в качестве измерителей скорости газа в присутствии капель жидкости [32, 33]. Указанные экспериментальные задачи обычно решаются в каждом частном случае исследователями самостоятельно в зависимости от свойств, размеров и концентрации диспергированных частиц, а также от свойств и условий движения газовой фазы.
2 РАСЧЁТ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА РАСХОДА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ