имени И.И. Ползунова»
им. И.И. Ползунова
В методических рекомендациях рассмотрены вопросы течения жидких сред в распылительных устройствах, методы исследования и экспериментальное определение коэффициента расхода центробежной форсунки и параметров процесса.
Методические рекомендации предназначены для студентов специальностей 240706 и 260601 всех форм обучения, изучающих дисциплины «Охрана окружающей среды на предприятиях отрасли», «Машины и агрегаты для переработки и изготовления смесей» и «Машины и аппараты масложировых производств».
машиностроения.
Протокол № 4 от 7 ноября 2007 г.
© С.А. Светлов, 2008
© БТИ АлтГТУ, 2008 ВВЕДЕНИЕ
Разработка теоретических основ процессов и аппаратов, используемых в химической и пищевой промышленности, например, при сушке, абсорбции, экстракции, а также в других технологических процессах, в которых применяют распыление жидкостей, связана с расчетом и проектированием распыляющих устройств. Во всех подобных процессах уменьшение размеров капель жидкой среды, необходимое распределение их в рабочем объеме аппарата обеспечивает лучшее взаимодействие фаз, повышение интенсивности тепло- и массообмена, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры аппаратов. Достижения в области теории распыления жидких сред послужили основой для создания скоростных прямоточных контактных устройств, высокоэффективных сушильных установок, грануляторов, абсорберов и других машин и аппаратов.
Устройства для распыления жидких сред (форсунки) широко применяют в современной технике во многих отраслях народного хозяйства для сушки продуктов, смешивания сред, нанесения покрытий на частицы дисперсных материалов и рабочие поверхности оборудования, очистки газовых потоков от загрязнений, охлаждения теплоносителей и т.д. Форсунки бывают струйные, центробежные, с пневматическим распылением, с вращающимися распыляющими элементами (дисками) и акустические. Распыление вращающимися дисками пригодно для диспергирования суспензий и вязких жидкостей, но требует значительно большего расхода энергии, чем использование механических распылителей [1]. Скорость вращения дисков составляет от 4000 до 20000 об/мин. Распыление механическими форсунками, в которые жидкость подаётся насосом под давлением от 0,2 до 20 МПа более экономично, но применяется только для жидкостей, не содержащих твердых взвесей, вследствие чувствительности данных форсунок к засорению. Пневматические форсунки, работающие при воздействии сжатого газа на поток жидкости, хотя и пригодны для загрязнённых жидкостей, но отличаются неоднородностью распыления. Акустические форсунки малопроизводительны и не нашли широкого применения в промышленности.
Основное отличие центробежной форсунки от форсунок других типов состоит в том, что жидкость, протекающая через неё, приобретает момент количества движения относительно оси сопла. Одной из важнейших характеристик форсунки является коэффициент расхода.
Целью лабораторной работы является изучение процесса распыления жидких сред, теоретическое и экспериментальное определение коэффициента расхода и параметров работы центробежной форсунки.
Оборудование и приборы, используемые при выполнении работы: лабораторная установка для изучения процесса распыления жидких сред, комплект центробежных форсунок с различным диаметром каналов, контрольно-измерительные приборы.
1 РАСПЫЛЕНИЕ ЖИДКИХ СРЕД ФОРСУНКАМИ
Распыление жидкостей является сложным процессом, зависящим от многих факторов. Распад струи на капли и дробление капель происходит [2] на выходе струи из распылителя под действием внешних и внутренних сил.
К внешним – аэродинамическим силам относятся силы взаимодействия распыляемого компонента со средой, в которую он впрыскивается. Их значение зависит от плотности окружающей среды, скорости струи и размеров капель жидкости. К внешним силам относятся также силы взаимодействия при пересечении струй или при встрече струй с твердой стенкой. С увеличением скорости движения струи относительно среды, в которую происходит впрыск, влияние внешних сил растет, что приводит к быстрейшему её дроблению и, следовательно, к улучшению качества распыления.
К внутренним силам относятся молекулярные силы и турбулентность потока. В струе вытекающей жидкости возникают турбулентные пульсации, интенсивность которых зависит от её плотности, вязкости, перепада давления, а также от конструкции распылителя. Увеличение скорости истечения способствует увеличению интенсивности турбулентных пульсаций, что в свою очередь, улучшает качество распыления.
1.1 Особенности способов распыления жидких сред
Дробление жидкости и образование капель происходит следующим образом. При впрыске жидкости, например форсункой, под действием внешних сил и турбулентных пульсаций струя жидкости распадается на частицы различной величины и формы. Малые частицы под действием поверхностного натяжения принимают форму шара и образуют капли; крупные частицы продолжают распадаться дальше.
Дисперсность распыляемой жидкости характеризуется средним диаметром образующихся капель, чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл. Часто в качестве характеристики дисперсности распыла жидкости вводится так называемый медианный диаметр капель, который соответствует диаметру половины общего числа всех капель. Это значит, что из общей массы капель половина будет обладать размерами больше, а половина - меньше медианного диаметра. Иногда дисперсность распыла характеризуется средним диаметром капли, под которым подразумевается тот диаметр, который имели бы капли одинакового размера, если бы их общая поверхность и общий объем были такими же, как и в струе, состоящей из капель различных размеров. Неравномерность распыления характеризуется отношением истинного числа капель к тому числу, которое получилось бы, если бы все частицы имели одинаковый диаметр.
Для исследуемой конструкции форсунки диаметр капель зависит от диаметра сопла, скорости впрыска жидкости, её вязкости, плотности, поверхностного натяжения и плотности среды, в которую производится впрыск. В современных распылительных устройствах достигаемый диаметр капли диспергированной жидкости составляет от 15 до 250 мкм. Это значит, что в 1 см3 распыленной жидкости содержится примерно 6·106 капель. Однородность распыления характеризуется диапазоном изменения диаметров капель в факеле распыленной жидкости. Чем уже этот диапазон, тем больше однородность распыла.
1.2 Способы распыления жидкостей
В работе [3] предложено классифицировать распыление исходя из условий перемещения струи. Исходя из этого можно выделить следующие способы распыления жидкости: гидравлическое, механическое, пневматическое, пульсационное, ультразвуковое и электрическое.
При гидравлическом способе распыления жидкость дробится за счет давления нагнетания при свободном распаде струи (пленки или первичных крупных капель), вытекающей с большой скоростью из соплового отверстия распылителя. Распыляющие устройства, с помощью которых реализуется этот способ, широко известны под названием механических (гидравлических) форсунок. В зависимости от скорости истечения жидкости из форсунки различают несколько видов распада струи. При малых скоростях струя на некотором расстоянии от сопла, благодаря возникающим осесимметричным деформациям (амплитуда которых постепенно возрастает), распадается на отдельные крупные капли равных диаметров [4]. С увеличением скорости истечения жидкости возникают волнообразные деформации, ось струи искривляется, эти деформации усиливаются и приводят к волнообразному распаду. Наконец, при дальнейшем увеличении скорости струи длина не распавшегося участка резко сокращается, и струя начинает распадаться вблизи сопла. Последний вид распада называют распылением [3].
Аналогично распадаются жидкостные пленки. При малой скорости истечения пленка не имеет разрывов и под действием сил поверхностного натяжения стягивается, образуя «пузырь», с нижней точки которого срываются крупные капли. При дальнейшем увеличении скорости истечения длина пленки сокращается, пока распад не начинается непосредственно вблизи сопла. Результаты опытов показали [5], что не распавшийся участок струи сохраняется даже при очень высоких давлениях. По оценочным расчетам нарушение сплошности для воды наблюдается примерно при давлении 5·105 кПа. Распад капель также зависит от скорости истечения. При малой скорости капли не дробятся и увлекаются воздухом. С увеличением скорости капли теряют устойчивость и распадаются на более мелкие. При очень больших скоростях капля под влиянием перепада давления на её поверхности образует тело, похожее на эллипсоид, который быстро сплющивается в центре и превращается в жидкое кольцо с тонкой оболочкой. Диаметр кольца
всё более увеличивается, оболочка разрушается и появляется множество мельчайших капель. Наконец и само кольцо дробится на мелкие капли [6].