автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Формирование и движение капель в аппаратах с пористыми вращающимися распылителями

На правах рукописи

САФИУЛЛИН РИНАТ ГАБДУЛЛОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ КАПЕЛЬ В АППАРАТАХ С ПОРИСТЫМИ ВРАЩАЮЩИМИСЯ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты

химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 СЕН 2013

005533628

Казань-2013

005533628

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Посохни Владимир Николаевич

Баранов Дмитрий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения), заведующий кафедрой процессов и аппаратов химических технологий;

Воинов Николай Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры машин и аппаратов промышленных технологий;

Магсумов Талгат Магсумович,

доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», заведующий лабораторией термодинамических и теплофизических исследований.

ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в ¿4 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета (А-330).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68, Казанский национальный исследовательский технологический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.080.06.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «П» сентября 201 Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.080.06, доктор технических наук, профессор

з г.

С.И. Поникаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В химической, пищевой и других отраслях промышленности, в теплоэнергетике, в системах кондиционирования воздуха и пылеогазоочи-стки широко применяются «мокрые» аппараты, где происходит взаимодействие газа с каплями распыленной жидкости. Повышение эффективности распылительных тепломассообменных и пылеулавливающих аппаратов и интенсификация проводимых в них процессов сегодня ведется по пути создания наиболее развитой поверхности контакта фаз, обеспечения высоких скоростей газового потока, использования полного поперечного сечения зоны контакта.

Значительные резервы в разработке эффективного и интенсивного тепло-массообменного оборудования заложены в повышении качества распыливания, под которым подразумевают высокую степень монодисперсности капель и равномерное их распределение в объеме аппарата. При обеспечении монодисперсного распыла можно осуществить строго организованный процесс с контролируемыми параметрами движения, теплового и диффузионного состояния капель, оптимально использовать контактную зону аппарата. Применение распылителей с монодисперсным распыливанием и регулируемым размером капель открывает возможности для создания более эффективных, малогабаритных, простых по конструкции, надежных в работе и удобных в ремонте тепломассообменных аппаратов.

В настоящее время в промышленности наиболее широко используются форсуночные устройства, создающие полидисперсную систему капель, механизм образования которых основан на распаде турбулентных струй и пленок жидкости под действием нерегулярных (случайных) возмущений. Кроме того, в аппаратах большой производительности приходится устанавливать десятки, а иногда и сотни параллельно работающих форсунок, формирующих неравномерные по сечению факелы, часто в виде полого конуса. Даже при оптимальной расстановке отдельные факелы перекрывают друг друга, образуя зоны с избыточным орошением, а соответственно, с различной концентрацией капель в контактной зоне. С указанными недостатками в основном и связана низкая эффективность применяемых в промышленности «мокрых» аппаратов.

Сегодня известны отдельные распыливающие устройства, позволяющие получать приблизительно одинаковые по размерам капли. Прежде всего, это вращающиеся дисковые и барабанные перфорированные распылители. Сюда же относятся некоторые вибрационные, акустические и электрические устройства. Однако все они имеют общий недостаток - образуют более или менее монодисперсный распыл при расходах жидкости, как правило, слишком малых для промышленных целей.

В последние годы интенсивно исследуются пористые вращающиеся распылители (ПВР), позволяющие создать объемный, равномерный по сечению и практически монодисперсный капельный факел. В простейшем виде ПВР представляет собой полый пористый цилиндр, вращающийся вокруг своей продольной оси. Во внутреннюю полость распылителя подается жидкость, которая под действием центробежной силы фильтруется сквозь пористую стенку цилиндра и практически одноразмерными каплями сбрасывается с зерен на его внешней по-

верхности. Известные конструкции ПВР обладают высокой прочностью, стойкостью к агрессивным средам, имеют высокие расходные характеристики (до 10 т/ч распыливаемой жидкости). Важное свойство ПВР — технологичность изготовления и широкий выбор структурных, геометрических характеристик рабочих элементов распылителя. Указанные достоинства позволяют успешно использовать ПВР в высокопроизводительных распылительных аппаратах химической, нефтехимической и смежных с ними отраслях промышленности.

Однако на сегодняшний день ощущается недостаточность информации о закономерностях работы ПВР, в особенности — о характеристиках монодисперсного режима диспергирования. Остаются малоизученными механизм формирования капель на рабочей поверхности ПВР и необходимые условия для устойчивой реализации монодисперсного распыления. Широкое применение ПВР в промышленности сдерживается и отсутствием методики расчета дисперсных характеристик и рекомендаций по проектированию распылителей на основе физически и математически обоснованной модели процесса каплеобразования. Важность разработки такой модели в рамках всестороннего исследования ПВР и их широкого применения в интенсивных тепломассообменных аппаратах и определила основное направление настоящей работы.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертации состоит в разработке методов расчета и проектирования распылительных аппаратов с ПВР, построенных на теоретических моделях каплеобразования и движения капель в контактной зоне, в повышении эффективности работы аппаратов на основе использования ПВР с качественным регулируемым распылением жидкостей.

Научные задачи работы заключаются в том, чтобы, используя теоретические и экспериментальные методы, определить условия достижения монодисперсного режима каплеобразования ПВР и закономерности влияния параметров процесса каплеобразования на формирование контролируемого однородного потока монодисперсных капель в контактной зоне распылительных аппаратов; предложить и научно обосновать эффективные технические решения по повышению степени монодисперсности распыла ПВР, по рациональному исполнению аппаратурных схем и конструкций аппаратов с ПВР.

В соответствии с поставленными задачами было необходимо:

• разработать математическую модель каплеобразования ПВР с учетом свойств структуры материала распылителя и динамики процесса распыли-вания в поле центробежной силы;

• выявить параметры, определяющие динамику каплеобразования на зернах ПВР, и определить границы значений параметров, при которых реализуется монодисперсный распыл; определить границы перехода от капельного истечения к струеобразованию;

• разработать программу по расчету размеров капель, образующихся при работе ПВР в монодисперсном режиме распыления;

• разработать конструкции ПВР для тонкого монодисперсного распыления и определить их дисперсные характеристики;

• исследовать закономерности движения капель при взаимодействии с газовым потоком в контактной зоне аппаратов с ПВР; разработать программу расчета траекторий движения капель;

• изучить закономерности каплеобразования на моделях каплеобразующих элементов ПВР и определить физический механизм образования капель-спутников; разработать способы нейтрализации образования капель-спутников и конструкции распылительных узлов для их осуществления;

• разработать методики инженерного расчета ПВР и рекомендации по проектированию аппаратов на основе ПВР, выполнить практическую апробацию результатов исследования;

• разработать эффективные конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР.

Научную новизну диссертации составляют:

• закономерности формирования и отрыва капель от каплеобразующих элементов цилиндрической, конической и сферической форм поверхности; границы перехода от каплеобразования к струйному истечению;

• зависимости для отрывных объемов капель от геометрии каплеобразую-щего элемента, расхода и свойств жидкости в поле силы тяжести;

• динамическая модель процесса каплеобразования на зернах ПВР, позволяющая выполнить расчет объемов образующихся капель в зависимости от свойств жидкости, структурных, геометрических и режимных характеристик вращающегося распылителя;

• критерии, определяющие динамику каплеобразования на зернах ПВР, и результаты расчета отрывных объемов капель, образующихся в монодисперсном режиме работы ПВР;

• зависимость для определения среднего диаметра капель от скорости вращения и размера зерна ПВР в режиме монодисперсного распыления;

• результаты экспериментальных исследований дисперсных характеристик образцов ПВР для тонкого распыления на основе абразивных микропорошков и пористых волокнистых оболочек;

• результаты численного моделирования движения капель при взаимодействии с газовым потоком в контактной зоне аппаратов с ПВР;

• способ нейтрализации образования капель-спутников при работе вращающихся распылителей за счет применения каплеобразователей в виде гибких упругих нитей, удерживающих на своей поверхности микрокапли при отрыве «основных» капель;

• комбинированный способ выделения капель-спутников из распыла ПВР, при котором используется как обдувающий, так и всасывающий потоки воздуха с использованием отсасывающего патрубка;

• математическая модель для расчета течений и формы вихревых зон вблизи всасывающих патрубков с раструбами; результаты расчета характерных размеров вихревых зон и скоростей всасывания при разной длине раструба и угла его раскрытия, определяющих эффективность инерционного выделении капель-спутников из распыла ПВР.

Практическая значимость определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы - разработки эффективных распылительных аппаратов для проведения широкого ряда технологических процессов, требующих создания высокоразвитой поверхности взаимодействия фаз при регулируемом равномерно распределенном в пространстве и монодисперсном по составу факеле распыла. Результаты выполненного исследования каплеобразования пористыми вращающимися распылителями (ПВР) позволяют уже сейчас рекомендовать ПВР для замены форсунок в тепломассообменных аппаратах, что приведет к значительному увеличению их эффективности.

В диссертации предложены и исследованы несколько конструкций аппаратов на основе ПВР. Разработана методика расчета ПВР для распылительных аппаратов (камер орошения, скрубберов) и систем доувлажнения воздуха непосредственно в помещениях. Последняя учитывает траекторию полета капель и время их полного испарения, что важно для недопущения попадания капель в обслуживаемую зону и на строительные конструкции.

Результаты исследований внедрены в производство и в учебный процесс. Промышленное применение ПВР с рассчитанными по разработанной методике характеристиками позволило вдвое увеличить эффективность аппарата для очистки аспирационного воздуха на Казанском оптико-механическом заводе (КОМЗ). Модернизация распылительных узлов на основе ПВР в конструкции деаэраторных колонок значительно снизила содержание кислорода в системах подготовки котловой воды коммунальных котельных г. Казани, Зеленодольска и Елабуги. Экономический эффект от сокращения потерь металла трубопроводов от коррозии составляет более 130 тыс. рублей в год по каждой проведенной модернизации.

Предложен ряд конструктивных вариантов ПВР, позволяющих нейтрализовать образование капель-спутников при работе в режиме монодисперсного распыления. Разработаны конструкции ПВР с вкладышем-центрифугой для работы с загрязненными жидкостями. Устройства защищены патентами и авторскими свидетельствами. Разработаны программы для расчета отрывных объемов капель в монодисперсном режиме распыления ПВР и при каплеобразовании на смачиваемых элементах с разной формой поверхности в поле силы тяжести, программа для моделирования движения капель при взаимодействии с газовым потоком в контактной зоне аппаратов с ПВР. Экспериментальные стенды задействованы в учебном процессе при проведении курса «Процессы и аппараты пы-легазоочистки» на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции КазГАСУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель монодисперсного каплеобразования, позволяющая определять размеры капель в зависимости от геометрических, структурных и режимных параметров ПВР и других устройств с каплеобразующи-ми элементами;

• дисперсные характеристики распылов ПВР на основе абразивных материалов и пористой фильтрующей керамики;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований образования капель-спутников и способы их нейтрализации и инерционного отде-

ления с применением всасывающих устройств, выполненных в форме раструба;

• конструктивные решения вращающихся распылителей с каплеобразую-щими элементами для регулируемого монодисперсного диспергирования;

• методика расчета распылителей с монодисперсным каплеобразованием, а также методика расчета ПВР для тепломассообменных аппаратов и рекомендации по проектированию эффективных аппаратов на основе ПВР.

Апробация работы. Работа выполнена в Казанском государственном архитектурно-строительном университете в рамках научно-технической программы «Архитектура и строительство» 1995 г. Проект 1.7.95 Д: «Исследование механизма каплеобразования пористыми вращающимися распылителями»; научно-технической программы «Архитектура и строительство» 1998 г. Проект 7.1.4: «Возможности монодисперсного распыливания жидкостей вращающимися распылителями и разработка конструкций распылителей с регулируемыми дисперсными характеристиками»; в соответствии с соглашением №14.В37.21.0644 от 16.08.12 между МО РФ и ФГБОУ ВПО КазГАСУ «Разработка высокоэффективных способов очистки жидких сред от примесей и предотвращения выбросов паров в атмосферу на основе математического моделирования и оптимизации», выполняемого в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-^-2013 гг., а также с планами госбюджетных и х/д НИР КазГАСУ на 2000-2013 гг.

Основные положения и результаты диссертационной работы и обсуждались на П Всероссийской научной конференции «Современные вопросы экологического образования» (Казань, 1995), итоговой научно-практической конференции КГУ (1997), на VI съезде АВОК в Москве (2000), научно-технических конференциях ИжГТУ (2002, 2003), International Seminar "Specially Engineered Local Exhausts and Intelligent Exhaust Systems" (Zurich, 2003), международной НТК «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» МГСУ (2005, 2010), на I-fTV Международных НТК «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» Волгоградского ГАСУ (2002+2004, 2006, 2010, 2012), на научно-технических конференциях Казанского государственного архитектурно-строительной университета (1993+2013).

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором. Использованные материалы других исследователей помечены ссылками на литературный источник.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 научных работ, в том числе 19 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией. Получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 345 страницах и состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает 310 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Иллюстрационный материал содержит 43 рисунка, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведения исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен аналитический обзор работ, в которых обосновываются оптимальный размер капель для различных процессов химических технологий, включая очистку отходящих дымовых и агрессивных газов. Отмечается, что эффективность таких процессов как испарительное охлаждение жидкостей, грануляция расплавов, абсорбция газов, испарительное обезвоживание и сушка растворов, охлаждение и осушение воздуха в аппаратах распылительного типа существенно зависит от диапазона регулирования тонкости и дисперсности распыла для минимизации отклонения процессов от теоретически возможных. Показано, что для осушки газа с охлаждением предпочтительны капли диаметром 500-И ООО мкм, для его увлажнения - 15+30 мкм, для очистки дымовых газов от мелкодисперсных аэрозолей - 100^400 мкм. При этом распределение капель в объеме аппаратов должно иметь низкую полидисперсность и быть максимально однородным и равномерным по сечению контактной зоны. Данные о предпочтительных диаметрах капель и о фактической дисперсности распылов определяют современный инженерный подход при выборе типа распыливающего устройства и конструкции контактных аппаратов для эффективного проведения указанных процессов.

Отмечено, что реальная эффективность аппаратов, использующих гидравлические и пневматические форсунки, недостаточно высока из-за крайней полидисперсности распыла. Полидисперсность снижает эффективность тепломассо-обменных процессов, изменяя суммарную поверхность капель по сравнению с теоретической поверхностью монодисперсной системы, которая закладывается при расчете и конструировании аппарата. Взаимодействие фаз в аппаратах с полидисперсным распылом описывается не точно, как правило, осредненными (чаще всего объемными) значениями коэффициентов переноса; движение капель, их тепловое и диффузионное состояние - осредНенными значениями скоростей, температур и концентраций. При полидисперсном распыле меняется качественная сторона протекания процессов для отдельных фракций. Неконтролируемая поверхность капель и разное время их пребывания в реакционной зоне приводят к резким отличиям теплового и диффузионного состояния отдельных капель на выходе из аппарата. С этим обстоятельством связана невозможность осуществления единого режима для всего полидисперсного потока капель, что в условиях технологических процессов отрицательно сказывается на качестве получаемой продукции или ограничивает интенсивность процесса величиной, допустимой для наиболее чувствительной фракции.

Приводится анализ литературных и патентных источников, касающийся перспектив использования в аппаратах известных конструкций распылителей (вибрационных, акустических и ультразвуковых устройств, вращающихся дисков и перфорированных распылителей), способных создавать объемный равномерный факел распыла монодисперсной структуры. Анализ выполнен на основе

рассмотрения особенностей механизма каплеобразования и затрат энергии на распиливания.

Наиболее перспективным (с точки зрения тонкости и монодисперсности распыла, большой производительности и минимальных энергозатрат) является способ распыливания статическими и вращающимися распылителями, у которых формирование капель осуществляется на множестве каплеобразующих элементов, объединенных в развитую распыливающую поверхность. Такой способ реализуется пористыми вращающимися распылителями (ПВР) в режиме, именуемом «каплеобразование на зерне».

Наступление режима каплеобразования на зерне ПВР определяется строгим соотношением между расходом жидкости и скоростью вращения распылителя, геометрией зерен и пор, а также структурными и геометрическими характеристиками материала пористой оболочки. При этом распределение капель по размерам соответствует распределению по размерам зерен на распыливающей поверхности ПВР. Стабильное формирование капель на одноразмерных зернах поверхности ПВР и определяет практически монодисперсный состав капель в факеле распыла.

Анализ работ по исследованию закономерностей каплеобразования на зерне ПВР показал, что известные расчетные зависимости не позволяют однозначно характеризовать дисперсность распыла во взаимосвязи с указанными выше параметрами. Это объясняется мапоизученностью механизма отрыва капель с зерен ПВР, отсутствием физически и математически обоснованной модели процесса каплеобразования. Не решены вопросы организации движения капель в аппаратах с ПВР, проблемы образования капель-спутников, рационального конструирования аппаратов и методики их расчета.

На основе выполненного анализа формулируются задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математического описания динамической модели каплеобразования на гранулах ПВР в поле центробежной силы, учитывающей структурные характеристики материала ПВР, а также интенсивность течения жидкости через его распыливающую поверхность.

Идеализация схемы расположения гранул на поверхности ПВР предполагает, что (рис. 1):

а) все гранулы являются осе-симметричными телами одинакового радиуса г,, расположенными на цилиндрической поверхности ПВР радиуса так, что отношение площадей пустот (питающих пор) и площадей сечений гранул равно коэффициенту пористости материала ПВР;

б) реальное расположение пустот (пор) на поверхности ПВР заменено кольцами вокруг гранул.

Веоджждмйсгк

Пористый щшнипр

Рис. 1 Схема ПВР (а) и капли на зерне (б)

Средняя скорость жидкости, питающей каплю через пору, была определена на основе законов линейной фильтрации:

рш_ 2

(1)

рог ц z /n(z,/z2) z, Общий расход жидкости через ПВР длиной / в режиме каплеобразования —

Qo = 2*!zlvcp ■

Отмечено, что режим монодисперсного каплеобразования на зерне ПВР выполняется при следующем соотношении параметров процесса фильтрации:

где величины Р, ■■

рог"

г(2г,)\

r2_*¡-'i 1

2 In(z i/z2)zi

И />з=-

(2)

характеризуют, со-

300 !

I Р2= 0.1

01

20 100 100 260 340 dj

i ОГя

150 !

(1 -рог)2"'"' ' " 20ц'

ответственно, пористую структуру ПВР, геометрию распылителя и свойства жидкости.

Коэффициент р учитывает характер взаимодействия зерен материала распылителя и жидкости (смачивание - несмачивание). Таким образом, уравнение (2) может служить основой для выбора параметров работы ПВР, при которых может быть достигнут режим каплеобразования на зерне.

Значения предельной угловой скорости <х>кр„т , полученные для ПВР разной геометрии, пористости и зернистости при распылива-нии воды (р =3), представлены на рис. 2. Рисунок дает возможность определять геометрию ПВР и диапазон угловых скоростей вращения распылителя га, при которых скорости фильтрации и натекания на поверхностные зерна ПВР соответствуют «капельному» режиму каплеобразования. Далее разрабатывается математическая модель каплеобразования на зерне ПВР. Полагается, что в области О реализуется безвихревое течение идеальной жидкости, описываемое уравнением Лапласа

(3)

100

0.3-

50

0.4

I ; i

1---- .. i j ^^^20 мы — 1 !

-i .. у . 1

50 100 1S0 200 2S0 Zí.UM

0.5

-29

-27

Рис.2. К определению предельной угловой скорости акрит для работы ПВР в монодисперсном режиме распыления

1 дФ 5 Ф .

+ —— + —тг = 0.

дг* г дг дг2

Формулируется краевая задача для потенциала скорости течения Ф в осе-симметричном объеме капли О, ограниченном поверхностью зерна Д, поверх-

ностью кольцевой питающей поры ¿"„ и межфазовой поверхностью Г на границе "жидкость-газ"(рис. 1, б).

Введены следующие характерные величины: длина г. =; скорость V, = Q0/с,2; потенциал Ф. = QJr. = v.r.; время t. = rjv. = r.'/öo i кривизна криволинейной поверхности Н. = 1/г.; величина А. = v.2 и обозначены безразмерные переменные Ф = Ф/Ф., i = t/t. и т.д. Для этих переменных полная система уравнений, определяющих математическую модель каплеобразования на грануле ПВР, записывается в следующем виде.

Уравнение (3) в безразмерных переменных сохраняет свой вид:

ДФ = 0. (4)

Граничные условия на неизменной части области П (рис. 1, б):

на поверхности Zi — = 0; (5)

дп

^ дФ 1

на поверхности Хо — = —

дп

где а - внутренняя нормаль.

На свободной поверхности капли Г

- кинематическое условие совместного движения частиц жидкой и газовой фаз на общей поверхности

dm ~ Si '

где N- смещение Г по внешней нормали m (рис.3);

-динамическое условие, отражающее силовое взаимодействие фаз и устанавливающее связь между потенциалом Ф и давлением р (уравнение Лагранжа-Коши)

5/ 2V ' 2V 1 ' Wc

где E, = '* "? = '' ; We = '* - число Вебера; А - функция безразмерного времени.

Ф; i-, а

Одна из трудностей, встречающихся при решении задач со свободными границами - движение во времени неизвестной поверхности, условие для нахождения которой содержит частные производные по времени от характеристик, определяющих это решение. Такая трудность имеется и в задаче о каплеобразо-вании в поле центробежной силы, дополненная еще нелинейностью в краевом условии на границе Г— формула (8).

Процедура определения положения поверхности Г и функции Ф в любой момент времени предлагается в следующем виде (черта над безразмерными величинами опущена).

Пусть для двух близких моментов времени / = 0 и / = г имеем области fio и Í2T, а также известна функция Ф(;^,0) в области По- Обозначим пересечение областей (рис. 3), и в этой подобласти рассмотрим функцию Ф(>\2, г). За

11

П1

По, Га

время т изменение функции можно представить приближенно (с точно-

стью до малых второго порядка) как

ф(г,2,!) = Ф(|',г,0)+т^^ + о(т;)+... » Ф, + тФ,. (9)

Г

Так как значения функции Фо в подобласти С2( известны, то для нахождения в ней значений Ф(г^,т) достаточно определить функцию Ф\, являющуюся приращением Фо за время г. После этого необходимо установить значения функций Ф(/%г,т) на границе Г0 области По, определить смещения N для границы /~Ь и снести значения Ф(г,2, т) по нормали т на новую границу Гг области О, по формуле:

Ф(,-,г,г)|г1=Ф0|Го + ^|Го+^^. (Ю)

Рис.З. К определению измененнй границы Г капли

Воспользуемся приемом линеаризации (9) при малых т и распишем уравнение (8) для Ф(г^,т) в подобласти О,:

ф, + У + тИ^УФ,)- £, - гУ + ^р„ + ±8р + А + 8А = 0. (11)

где бр - изменение давления, вызываемое изменением кривизны в точке деформируемой поверхности.

Выделим в уравнении (11) постоянные во времени слагаемые

Ф, = -к™»»)3 + Р0 - л(г„);

2 2 Не

(12)

они определены как в подобласти так и во всей области Оо- Переходя в уравнении (12) к точкам границы Г0 и, учитывая, что здесь перепад давлений равен капиллярному давлению р0 =2к, имеем следующее динамическое условие для свободной границы:

Ф, = -^ФоУ + Е1и21-гУ~2к-Лш/„

2 2 1те

(13)

Тогда для функции Ф, можно сформулировать краевую задачу в области По:

ДФ, = 0 ; = 0 на 1 ;

с1га (14)

оФ,

ЭФ, 5п

1 " Л

Ф, = ^ «а Г„ .

со/Ш на Х„

Таким образом, определение функции Ф\, а вместе с ней и функции Ф(гг), сводится к решению уравнения Лапласа со смешанными граничными условиями, когда на границах и Х| заданы значения нормальной производной, а на свободной поверхности задано краевое условие третьего рода (13).

Переменные слагаемые в уравнении (11) характеризуют изменение во времени свободной границы Г от области По до П,:

£2ф = -гУФ0УФ,-£Л, (15)

где связь между изменением давления 8р с изменением кривизны 62к поверхности при ее смещении N может быть выражена модифицированной формулой В. Бляшке

> = £,

^ гсЬ I Л

(16)

Здесь £3 = ° =-- —= —^—; Ей - критерий Эйлера; 5 - дуговая координата точ-

г.р. р.!р''; г.ру; Еи\¥е

ки на межфазовой поверхности Г.

Совместное решение уравнений (15) и (16) позволяет определить смещение N как функцию дуговой абсциссы 5 на недеформированной поверхности Го и определить координаты точек новой поверхности Г\ по следующим выражениям

R = r + N(s)s 1*п /?; г = 1-N{5)005/}. (17)

Для контроля скорости передвижения поверхности капли йЫШ используется интегральное условие: отклонения кривой /"должны быть такими, чтобы увеличение объема области О за принятый промежуток времени т было равно втекающему через пору объему жидкости:

й = (18)

¿0 Г Л

где с/5 и с1ц - элементы поверхностей и Г.

На основе описанной методики определения последовательных изменений межфазовой границы капли во времени построен алгоритм численного решения задачи (4)+(18). Алгоритм заложен в программу «ВгорСак», разработанную для определения объемов отрывающихся капель в зависимости от геометрических, структурных и режимных параметров ПВР. Программа позволяет визуализовать на экране ЭВМ динамику роста и отрыва капель с поверхности зерен ПВР в капельном режиме распыления.

В заключение главы приводятся результаты численного расчета отрывных объемов капель К в зависимости от величины критерия £/ и числа 1¥е, характеризующих, соответственно, относительный вклад в динамику каплеобразования центробежной силы и силы поверхностного натяжения жидкости (рис. 4, а). На рис. 4, б показаны примеры рассчитанных профилей капель, формирующихся на конических зернах ПВР с различными углами при вершине. Расчеты показывают, что отрывные объемы капель увеличиваются с ростом а и уменьшаются при возрастании скорости вращения распылителя со. Увеличение размеров зерен ПВР с13 и поверхностной пористости материала рог приводит к увеличению размеров капель. Отклонение рассчитанных отрывных объемов от экспериментальных значений, полученных в исследованиях разных авторов, не превышает ± 18%.

Точками обозначены известные экспериментальные данные для ПВР из абразива.

Рис. 4. Зависимость отрывных объемов капель V от критериев Е\ и И'е (а) и рассчитанные профили капель, формирующихся на конических зернах ПВР (б)

Аппроксимация расчетных данных по рис. 4, а дает следующую критериальную зависимость для безразмерных объемов капель V = у/г~' :

V = 789.85- 1Ге(0.062Е{ - 2,28Е - 34,9)+ 0,72&Е^ . (19)

Уравнение (19) рекомендуется для определения дисперсности распыла у ПВР, работающего в монодисперсном режиме распыления.

Основной результат данного этапа работы - создан инструмент для расчета дисперсных характеристик ПВР, которые могут эффективно использоваться в распылительных аппаратах химических технологий. Также получены данные о диапазоне изменения основных параметров работы распылителей, в частности, зависимость для определения требуемой скорости вращения для достижения монодисперсного режима каплеобразования.

Адекватность построенной модели каплеобразования оценивалась решением аналогичной задачи для более простого случая - каплеобразования в поле силы тяжести, основные закономерности которого достаточно хорошо исследованы экспериментально. Одновременно проверена справедливость использованных расчетных методов и упрощающих допущений, таких как: линеаризация решения для Ф\ на свободной границе капли Г, предположение о симметричности капли в процессе роста и отрыва, малое влияние вязкости на отрывной размер капель. На основе полученного алгоритма разработана программа «Бгор-Са1с-2» для определения объемов капель, формирующихся на статических кап-леобразующих элементах разной формы в поле силы тяжести. Сравнение результатов, наблюдаемых при численном моделировании и в экспериментах в поле силы тяжести, свидетельствуют об адекватности разработанной математической модели каплеобразования на зернах ПВР.

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по определению дисперсных характеристик распылов ПВР, выполненных из пористых материалов различной структуры и крупности зерна.

Исследование работы ПВР из крупнозернистого абразивного материала (с размером основной фракции зерен 250 и 400 мкм) в режиме «каплеобразования на зерне» проводилось на экспериментальном стенде, позволявшем выполнять фотографирование капель в потоке с выдержкой - МО"6 секунды (рис. 5).

Анализ фракционного состава полученных распылов показал, что средние (по Заутеру) диаметры капель близки к значениям, определенным расчетным путем с использованием рассмотренной модели каплеобразования. Было подтверждено, что тонкость распыла зависит от размеров зерен ПВР и скорости его вращения. При окружных скоростях V > 20 м/с ПВР из электрокорунда зернистостью 25П и 40П (с размерами основной фракции зерен с/3=250 и 400 мкм, соответственно) позволяют получать объемный факел распыла с практически монодисперсными каплями диаметром 100-^200 мкм.

Рис.5. Схема экспериментальной установки для исследования ПВР из крупнозернистого абразива: 1 - распылитель; 2 - электродвигатель; 3 - камера орошения: 4 - выпрямитель; 5 - тахометр; 6 - питающая емкость; 7 - компрессор; 8 - регуляторы расхода воды; 9 - ротаметры: 1 0

- манометр; Л - приемная емкость; 12 - насос; 13 - фотоаппарат, 14 - координатник; 15 -прорези для работы с фотоаппаратом; 16 - импульсная лампа - вспышка; 17 - отражатель; 18

- блок регулирования вспышки.

Согласно результатам, полученным при численном моделировании каплеобразования, ПВР на основе абразивных микропорошков зернистостью ¿4=10^20 мкм способны формировать микрокапли размером менее 20^50 мкм (тонкое распыление). Именно таким средним размером характеризуются распыл у пневматических и гидравлических форсунок высокого давления, традиционно используемых в камерах орошения при увлажнении воздуха и скрубберных аппаратах пылегазоочистки. Отсутствие данных о качестве распылов ПВР из абразивов с малым номером зернистости, а также у распылителей из других пористых материалов определило необходимость выполнения дополнительных экспериментальных исследований.

Экспериментальный стенд для исследования дисперсных характеристик ПВР для тонкого распыливания воды показан на рис. 6. Он включал в себя электропривод 1 с пятью фиксированными значениями оборотов вала. Распылитель 3 жестко крепился на валу двигателя 1 с помощью цанги 2. Вода подавалась в распылитель 3 из питающей мерной емкости 4 объемом 100 мл. Расход воды в

15

экспериментах изменялся от 0.5 до 2.8 л/ч. Регулирование расхода осуществлялось вентилем 5. Распыленная вода через приемный бункер 6 направлялась в сборную емкость 7.

Выборка требуемой совокупности капель для регистрации их дисперсного состава выполнялась с помощью отборного устройства 8 через окно 9. Время экспозиции потока капель через отборное окно устанавливалось с помощью ирисовой диафрагмы 10. Капли воды улавливались в кювету 11 с иммерсионной средой, имеющей такую же плотность, как и вода. Здесь капли приобретали сферическую форму и фотографировались в проходящем свете с помощью веб-камеры 12 с разрешением 800x600, установленной на окуляре микроскопа 13 (БСМ-1). Изображение от камеры 12 в режиме реального времени передавалось напрямую через USB-вход компьютера, и далее - на экран монитора.

Эксперименты проводились с ПВР на основе серийно выпускаемых абразивных изделий типа ЧЦ (чаши цилиндрические) и ПП (прямого профиля) из электрокорунда белого (А1203) марки 24А с размером основной фракции зерна 7+10 и 14+20 мкм, что соответствует марке зернистости М10 и М20, соответственно. Также исследовались характеристики распыла у образцов ПВР на основе пористой фильтрующей керамики (ПФК) и войлока, а также у комплексных конструкций, состоящих из нескольких слоев пористых материалов сеточной и волоконной структуры.

Дисперсные характеристики опытных образцов ПВР марки М10 наружным диаметром 19 и 16 мм показаны на рис.7 в виде гистограмм распределения капель в распыле. Из рисунка видно, что на небольших оборотах (до 15000 об/мин) факел распыла у ПВР-М10 имеет существенную полидисперсность, которая уменьшается с увеличением скорости вращения. Так, при окружной скорости v>26 м/с значительно возрастает число капель, имеющих средний диаметр 30+40 мкм (более 50%).

50

Рис. 6. Схема установки для исследования дисперсных характеристик ПВР тонкого распыления

Рис. 7. Дисперсность образцов ПВР-М10: а —

25 35 45 55 65 75 Диаметр капель,мкм

наружный диаметр Д, =19 мм; б - D„ =16 мм

о

0 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 Диаметр капель, мкм

Из рисунка 7 также видно, что распределение капель в распыле имеет два экстремума: малый пик, указывающий на размер капель-спутников, и большой пик, соответствующий диаметру основных капель. Если с увеличением скорости вращения размер основных капель уменьшается значительно (от 55-^-45 до 33-^-35 мкм), то диаметр спутников практически не изменяется и остается равным примерно 5 мкм. Аналогичная картина наблюдается в дисперсных характеристиках ПВР-М20, а также у образцов ПВР из ПФК.

При окружной скорости v>30 м/с в дисперсности распыла проявляются существенные изменения. Крупные фракции пропадают, диапазон размеров капель сужается. При v=36.6 м/с более 50% капель имеют диаметр 20ч-40 мкм. Возрастает и доля мелких фракций — в распыле содержится до 30% капель размером менее 20 мкм. Можно утверждать, что при данной скорости вращения ПВР из микропорошков и волокнистых материалов достигает границы тонкого и практически монодисперсного режима распыливания.

Результаты экспериментов показывают, что использование ПВР на основе абразивных микропорошков и ПФК в интенсивных тепломассообменных аппаратах может значительно повысить их эффективность и снизить энергозатраты на распыливание, так как в этом случае нет необходимости в использовании высоких скоростей газа для тонкого распыливания.

В заключение главы отмечено, что образование капель-спутников существенно ухудшает степень монодисперсности распыла у ПВР на основе абразивных материалов и ПФК. Для получения распыла только из основных монодисперсных капель требуется разработка способа нейтрализации образования сателлитов или их отвод из контактной зоны аппарата.

В четвертой главе изложены результаты численного моделирования кап-леобразования, выполненного с целью определения размеров капель-сателлитов и выявления характера зависимости их объема от формы каплеобразующих элементов ПВР, а также и других существенных факторов, оказывающих влияние на формирование и отделение капель.

Моделирование проведено с помощью пакета программ CDF на основе решения системы уравнений Навье-Стокса в поле силы тяжести. Программа позволяет выполнять динамическое переопределение расчетной сетки, изменять ее в процессе вычислений и отслеживать деформацию перешейка непосредственно при отрыве основной капли и последовательность образования капель-спутников.

Рис. 8. Схемы каплеобразующих элементов (а); схема расчетной области течения жидкости (б)

Постановка задачи: капля жидкости формируется на вертикальных капле-образующих элементах в виде сферы, конуса и цилиндра (моделях зерен ПВР) в поле силы тяжести. Подпитка жидкостью осуществляется через кольцевой канал а между каплеобразователем и насадкой с ножевыми кромками (рис.8, а). Рассматривается область течения несжимаемой вязкой жидкости, смачивающей поверхность каплеобразующего элемента (рис. 8, б). При малых изменениях температуры физические свойства системы «воздух-жидкость-твердый элемент» приняты постоянными, кроме поверхностного натяжения жидкости, которое линейно зависит от температуры. Вектор ускорения силы тяжести направлен вниз по оси z.

Математическая модель исследуемого процесса каплеобразования в цилиндрических координатах (г, z) строится на системе уравнений сохранения:

- уравнение неразрывности

ди dv и .

— + — + - = 0, (20)

dr dz г

- уравнения движения Навье - Стокса

f ди ди dus1 dp id г„ Sr.,. тгЛ p — + u— + v— =—- +—— +——+ — , (21)

43/ dr dz) dr { dr dz r J V '

(dv dv dv~] dp (dr 5r_ т

' (22)

где и, v - радиальная и осевая компоненты поля скорости U; t - время: р - давление; g - ускорение силы тяжести; т,г, - компоненты тензора напряжений т:

= т„=2„%. (23)

Для замыкания краевой задачи уравнения (20)+(23) должны быть дополнены соответствующими начальными и граничными условиями, а также кинематическими и динамическими условиями на границе раздела фаз «жидкость -воздух». Требуемые условия сформулированы в следующем виде.

В начальный момент времени жидкость неподвижна, положение ее нижней границы в питающем канапе соответствует уровню CD. Температура и давление р постоянны во всей области течения. На поверхностях насадка ВС и каплеобразующего элемента AHG имеем условие прилипания и непроницаемости

i/ = v = 0. На оси симметрии GF (при г = 0) и = 0, — = 0 . На верхней границе

dr

кольцевого канала АВ принимаем условие постоянства скорости подпитки v0 v = va = const. На границе расчетной области CDE отсутствуют изменения в радиальном направлении ^- = ^- = 0. На нижней границе расчетной области FE предусматривается отсутствие изменений течения в осевом направлении

du _ dv dz"dz~

Для отслеживания свободной поверхности капли используется специальная процедура, известная как метод объема жидкости - VOF метод. Суть его заключается в том, что для областей вблизи межфазной границы «жидкость — газ» в уравнения движения вводится функция F, характеризующая долю содержания в

ней жидкости. ТакГ= 1 в области, полностью заполненной жидкостью, и^=0 в области, заполненной воздухом. Если ячейка содержит межфазовую границу, то для Г определяется промежуточное значение 0 < Г < 1 способом линейной аппроксимации значений в соседних ячейках области. Поле функции Г меняется при движении аналогично полю скорости жидкости, так что справедливо уравнение переноса:

ер вр ер „ — + и — + 1'— = о.

31 дг дг

(24)

Уравнение (24) выражает кинематическое условие на границе раздела фаз «жидкость - газ».

Динамическое условие на свободной поверхности, отражающее силовое взаимодействие фаз, определяется скачком физических свойств и действием силы поверхностного натяжения Ра. Выражение для Ра в рамках УОБ метода имеет вид

Ра = окп^Р, (25)

где п - единичный вектор нормали к свободной поверхности, направленный внутрь жидкости.

Уравнение неразрывности (20) справедливо для всей расчетной области, а также на межфазовой границе. Динамическое условие (30) для поверхности раздела включается в уравнения Навье-Стокса:

ей

I—

дг

(ду

дг

I—

дг

Ви Вр л

дг. г дг 1

V _еР ет,,

J дг 1 дг

дг

■п- I _, дР + -2- \ + ак—,

1 дг

дг

+— \-ре + ок

ВР

(26)

(27)

Уравнения (20)-ь(27) формулируют краевую задачу о течении жидкости на смачиваемом элементе с образованием капель в поле силы тяжести.

На рис. 9 и 10 приведено сравнение смоделированного процесса с натурными экспериментами по каплеобразованию на сферических и цилиндрических насадках. Качественная картина, полученная при численном моделировании, практически полностью совпадает с приведенной на фотоснимках, включая последовательность образования за основной каплей капель-спутников (рис.11).

О

О

Рис.9. Фотоснимки и численные модели отрыва капель от сферы 016 мм

тт

Рис.10. Фотоснимки и численные модели отрыва капель цилиндра 05 мм

Я \ /

и/

в § А

о О

Рис. 11. Динамика распада перешейка и образования капель-спутников при отрыве основной капли (сфера 016 мм, керосин, численный эксперимент)

На рис. 12 приведены обобщенные экспериментальные данные об объемах капель-спутников Укс (К„ = У^/с3, с = -^/о/рё — капиллярная постоянная), определенных по фотоснимкам, и полученных численным расчетом при различных значениях радиуса основания капли гь на границе контакта с поверхностью кап-леобразующего элемента в условиях медленного (квазистатического) формирования в поле силы тяжести. На основе известной аналогии между полями силы тяжести и центробежной силы получена формула для расчета объемов капель-

спутников Уа в зависимости от геометрии каплеобразующего элемента и радиуса основания капли гь в случае каплеобразо-вания на зерне ПВР

1.264?

(28)

Кс-

з.о

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

• - Расчеты по И.иЕИТ О - Эксперимент 1

1 4 /

1 (Г

■ ! ! „1 У

1 / /

--<•* - О—- ✓ — --

0.0 0.5

1.0

1.5 2.0

2.5

3.0 Н

:с = 0.0492«? = ; гь =гь/с

Рис. 12. Зависимость объемов капель-спутников Укс от гь при каплеобразовании в поле силы тяжести.

где V,

с, =у2с/р(0: - параметр, имеющий размерность длины.

Выражение (28) рекомендуется для определения объемов капель-спутников в распыле ПВР в капельном режиме распыливания.

Рис. 13 иллюстрирует типичные расчетные профили, наблюдаемые при кап-леобразовании на «нити» - тонком цилиндре радиусом Я <0.5. Из рисунка видно, что капля формируется до предотрывного объема не на нити, а непосредственно на срезе насадка. В ходе отрыва «основная» капля свободно падает вниз, смачивая поверхность нити по всей ее длине. От распада перешейка на нити остаются капли-спутники, удерживаемые на ней силами поверхностного натяжения до тех пор, пока следующая «основная» капля не поглотит их при своем па-

дении.

ТУТУТУ

ф

А

г

о

Рис.13. Фотоснимок и компьютерная модель отрыва капли от насадка 06 мм с аксиальной нитью 00.4 мм.

Выявленные закономерности каплеобразования на нитях дали возможность предложить способ распыливания жидкостей без образования капель-спутников. Возможности этого способа (патент РФ № 2042438) показаны на рис.14. В качестве распыливающей поверхности у ПВР может использоваться кольцевой слой из натуральных или синтетических волокон, радиально направленных по ходу формирования и отрыва капель. В отличие от ПВР на основе абразива и ПФК, дисперсность распыла у образцов с волокнистым слоем (ОВС) существенно однородна и зависит от расхода питающей воды. На рис. 15 приведены для сравнения гистограммы распределения для ОВС диаметром Оех, =17 мм, полученные при расходах Q = 2.0 (а) и 2.8 (б) кг/ч.

б)

Б)

Рис. 13. Конструкция распылителя с гибкими нитями и режимы распыливания. а - режим «основных капель» (окружная скорость вращения 1<2 м/с); б - «струйный» (2<1<8 м/с): в - режим «тонкого распыливания» с концов нитей (г>8 м/с).

Рис. 15. Гистограммы, характеризующие дисперсность распыла комплексных ПВР в зависимости от расхода жидкости: () = 2.0 (а) и 2.8 (б) кг/ч

Гистограммы имеют только один характерный пик, соответствующий диаметру основных капель. Второй пик, отмечавшийся в распыле ПВР из абразива и ПФК, не наблюдается. Полученный результат показывает, что капли в распыле ОВС образуются не при распаде струй, как это характерно для ПВР из абразивов и ПФК, а формируются на волокнах. При сходе основной капли с волокна перетяжка очень короткая и тонкая, что не приводит к образованию крупных капель-спутников.

Полученные при моделировании данные о значительном различии в диаметрах «основных» капель и более мелких капель-спутников (до 10 раз), а, следовательно, в траектории их полета при распыливании с помощью ПВР, позволяют сформулировать способ полного отделения капель-спутников из факела распыла. В работе предлагается применение комбинированного метода инерционного отделения мелких капель при использовании как обдувающего, так и всасывающего потока. На рис. 16 приведена схема осуществления способа. Для его реализации необходимо решение нескольких задач. Главные из них - траек-торная задача, учитывающая как направление и скорость обдувающего потока, так и изменение массы (испарение) капель-спутников на участке движения. Вторая - определение границ отрывных зон на входе в отсос-раструб и поля скорости в отсосе, их зависимость от геометрии раструба и интенсивности отсоса.

I

Сдувающий поток V ~ • 5 Хг- Вихревая зона'

2 . -

1 1

<4 ^ к • Всасывающий

Рис. 16. Расчетная схема для определения параметров отсоса-раструба в комбинированном методе инерционного выделения капель-спутников

В пятой главе приводятся результаты численного моделирования указанных выше задач. Основой здесь являются уравнения движения, интегрирование которых дает возможность получить такие кинематические характеристики

движущейся капли, как скорость, время пребывания в активном пространстве распылительного аппарата, а также геометрические параметры траектории.

На основе анализа сил, действующих на каплю в сносящем и закрученном потоке газа, сделан вывод о том, что существенное влияние на движение капель в аппаратах с ПВР оказывают силы тяжести, аэродинамического сопротивления, кориолисова, а также центробежная сила. Система уравнений движения для капли массой тк = р^пс!'¡6 решается в виде: ¿К, Л </К„

г Р,

К у.

<н (¡у.

Л

Л.г

-к)

= уг

= У.

р*

Л Л г Л

С/. — компоненты скорости капли и газа; К,„„„ -капли относительно газа, К„т„ = иг - Уг+ ((Уф - Гф)" + ((Л - К.)- .

(29)

где К К 1Л, и.

скорость движения

Скорость уменьшения диаметра <1К капли за счет испарения в окружающий газ при разности давления паров АР над поверхностью капли и в окружающем газе определялась по уравнению Вильямсона

_ -АтхР А </,р ЖИТГ

-А1>(\

+ 0.276 Ее*

(30)

Для коэффициента аэродинамического сопротивления капли использовалась зависимость

«•« Л().52

+ 0.553

(31)

имеющая погрешность менее 5% при расчете траекторий капель в диапазоне Яе = 0.25+104.

Система уравнений движения капли (29) совместно с уравнением изменения диаметра капли при испарении (31) была решена численно с использованием метода Рунге-Кутта четвертого порядка при начальных условиях:

т = 0, г = Л., ф = 0, г = 0, Уг=уср, К = 0. (32)

6и

Для определения локальных значений компонент скорости газа (7 использовались выражения, полученные Лойцянским на основе аналитического решения уравнения Навье-Стокса в кольцевом канале с вращающимся центральным телом (ПВР) длиной /. Расчеты траекторий капель выполнены для основных случаев: при распыливании с помощью ПВР в неподвижном воздухе (ситуация подобного рода возникает при использовании ПВР для распылительного увлажнения и охлаждения воздуха на открытых площадках в производственных зданиях, а также в помещениях большого объема и высоты в общественных зданиях); при

осевом сносящем потоке газа (для конструкций полых цилиндрических аппаратов и газоходов радиуса Ка, где ПРВ установлен коаксиально, а газ направляется вдоль оси аппарата и проходит сквозь поперечный факел распыленной жидкости); в сносящем закрученном потоке газа (для аппаратов с тангенциальным вводом газа). В последнем случае расчетные траектории капель имеют вид пространственной винтовой линии переменного радиуса кривизны (рис. 17).

Рис. 1 /. Траектории капель в закрученном потоке газа в сечениях аппарата радиуса Яа: а) направления вектора окружной скорости ПВР и газа совпадают; б) встречное направление вектора окружной скорости газа (ПВР-400, й„/Ло = 0.1; £/ф=40 м/с, (Л =5 м/с)

Геометрия этой линии и, соответственно, критический радиус и время контакта газовой и жидкой фаз в активной зоне аппарата зависит от направления вращения ПВР, величины и направления окружной и осевой (продольной по отношению к аппарату) скорости газа. При вращении ПВР в противоположную сторону относительно вихревого движения газа время контакта может увеличиться на 20% (рис. 18, б), однако примерно на такое же значение возрастает величина осевого смещения капли (рис. 19). Рост времени контакта объясняется увеличением длины траектории полета капли, а)

Т-10?С

1 ! 1 ' ' . |

! | ! у/С

1 у\ /

\ 1 1

1 :

0.5 0.6 V*

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 V* 0.1 0.2 Рис. 18. Время полета капли объемом К, = /(И^.Я,) до достижения стенок аппарата: а) направления вектора окружной скорости ПВР и газа совпадают; б) встречное направление вектора окружной скорости газа (ПВР-400, Л„/й„ = 0.1,14=5 м/с, 1/ф, м/с: 1- 10; 2 -20; 3 - 30;4 -40)

Рис. 19. Относительное осевое смещение капли объемом К = /(Не, £,) в аппарате:

а) направления вектора окружной скорости ПВР и газа совпадают; б) встречное направление вектора окружной скорости газа (ПВР-400, Д„/Я„ = 0.1, Ц, =20 м/с, 14, м/с: 1-5; 2- 10; 3 - 20; 4-40)

Результаты расчетов и анализ траекторий капель в поперечном и продольном сечении аппаратов с ПВР дает возможность выделить зоны повышения интенсивности движения и зоны максимальных скоростных показателей, что позволяет подобрать оптимальный набор технологических параметров и геометрических характеристик аппарата. Полученные данные также позволяют выбирать геометрические и расходные характеристики комбинированного отсоса при инерционном выделении капель-спутников из факела распыла ПВР.

Сравнение данных по времени контакта капель-спутников <1КС< 50 мкм при прямом (относительно вектора тангенциальной скорости газа) и обратном вращении ПВР показывает, что направление вращения практически не влияет на относительную скорость из-за быстрого спада начальной скорости их движения. Отмечено, что траектории капель-спутников, образованных в факеле распыла ПВР, полностью определяет поток газа и при осевых скоростях 11>5 м/с капли-спутники можно эффективно отводить без использования дополнительного сдувающего потока.

Задачами расчета всасывающего патрубка-раструба в этом случае является определение интенсивности отсоса, расчет формы отрывных зон и поля скорости во входном участке раструба и эффективной ширины отсоса (см. рис. 16). Постановка задачи следующая: рассчитываются очертания свободных линий тока, ограничивающих отрывные зоны на входе в плоский раструб с углом раскрытия 2р. Расход удаляемого воздуха - ¿, длина раструба - /, полуширина патрубка - В. Схема симметричной половины течения в физической плоскости 2 = л + (> приведена на рис. 20, а. В точке С поток срывается с острой кромки, образуя отрывную зону, ограниченную свободной линией тока СМИ. Далее в т. Е снова происходит отрыв потока и формируется вторая вихревая зона, ограниченная свободной линией тока ЕР. При малой длине раструба обе отрывные зоны сливаются в одну - "короткий раструб".

Течение вне отрывных зон безвихревое. Следуя основным положениям теории течений идеальной жидкости со свободными поверхностями, принималось, что вдоль них модули скоростей постоянны: V, на СМГ) и г, на ЕР.

: х

с ¡(п+Ц) ¡л Е Р "

Н N

А м и

_ у» . »,

N Н С М й Е

А > Ч Г .18 Е| 111 Ь п 1 5

Ф РЕ ОМС Н N А

Рис. 20. К расчету течения во входном патрубке с «длинным» раструбом. Соответствие областей при отображениях: а - течение в реальной плоскости; б - область течения в плоскости комплексного потенциала; в - область течения в плоскости переменной Жуковского; г -течение в параметрической верхней полуплоскости С,

Поскольку очертания свободных линий тока неизвестны, то невозможно сформулировать краевую задачу для уравнения Лапласа в физической плоскости г. Устранить эту сложность можно путем введения специальных функций. Здесь используется модифицированная функция Жуковского

Х = 1п---— = и + ко, (.33)

1'2 аг

где и = е> = -0; IV = <р + ¡у/ - комплексный потенциал течения; <р и у/ - соответст-

венно, потенциал и функция тока; НН'/ск = -IV,, - сопряженная комплексная скорость; ^ и в - модуль и аргумент комплексной скорости.

Области течения в плоскостях IV и х приведены на рис. 20, б и 20, в

Далее для решения задачи используется метод конформных отображений. Найти соответствие между областями И' и х затруднительно, поэтому в рассмотрение вводится параметрическая верхняя полуплоскость С, (рис.20, г). Отображения областей IV и х на верхнюю полуплоскость С, находятся с помощью формулы Кристоффеля-Шварца

(¡IV I

¿С *(<г3-1)' _(/ - »X/ - _

(34)

где А', и, т, е, <1, Л -неизвестные параметры отображения; / -переменная интегрирования.

26

Из равенства (33) следует, что

¿г

>2 'ехр[-х(с)]•

(36)

Объединение уравнений (34) и (36) дает формулу отображения областей г и С друг на друга

¿г ехр[-х{С)}

¿С, ~ сНГ йС, ~~ тгу2 '

(37)

Уравнения (36) и (37) в принципе дают решение поставленной задачи. Необходимо еще определить шесть параметров отображения х - х(£) и скорости V,, V,. Эти параметры были определены с помощью теории вычетов и заданной геометрии раструба, в результате получены уравнения для координат границы СМИ:

ТО', ;

7Г\>. * "" 1

+ 1'(1 + /я'иР),

(38)

где J\нJ2 — интегралы параметрической переменной £ по границе СМ О, куда входят определенные выше параметры.

На рис. 21 приведены очертания первой по ходу воздуха границы отрывной зоны СМБ, полученные для раструбов р = 0,2я, /= 1/В = 2,474 (рис. 21, а), р = 03тг, / =2,141 (рис. 21, б) и р = 0,4тг, 7 = 1,235 (рис. 21, в). Из рисунков видно, что размеры вихревой зоны весьма значительны. Как показывают расчеты, ее протяженность для всех значений р не намного меньше длины раструба /. Определены критические длины раструбов !кр при разных значениях угла раскрытия

р/тт. Если !< 1,:р, то мы имеем «короткий раструб» с одной отрывной зоной.

у ■

0 0.5 0 0.5 0 0.5

а) б) в)

Рис. 21. Форма первой свободной линии тока при различных углах раскрытия раструба

Приведенный анализ дает достаточно полное представление о кинематических характеристиках течений вблизи «коротких» и «длинных» раструбов с разными углами раскрытия. Полученные результаты могут быть использованы при реализации комбинированного метода отвода капель-спутников из распыла ПВР, а также для разработки эффективных конструкций входных участков различных теплообменных агрегатов, скоростных распыливающих аппаратов и других устройств.

Шестая глава посвящена вопросам практического использования результатов исследований. Для работы с жидкостями, загрязненными механическими примесями, разработаны конструкции ПВР с вкладышем с конической

внутренней поверхностью, выполняющим роль центрифуги для выделения загрязнителя из распылителя (A.C. СССР№ 1745358).

В основу разработанной методики инженерного расчета ПВР для промышленных аппаратов распылительного типа заложены теоретические модели каплеобразования, что позволяет расчетным путем устанавливать структурные и режимные параметры ПВР, гарантирующие получение заданного качества распыла. На примере определения требуемых характеристик центробежного скруббера с ПВР из абразивного материала, проектируемого для очистки промышленных газовых выбросов, показана технология использования методики расчета и ее точность.

Методика расчета ПВР применена при модернизации узла распыливания полого скруббера, установленного на Казанском оптико-механическом заводе (КОМЗ) на линии очистки аспирационного воздуха от паров и аэрозолей антифрикционных масел и смазок. Программа расчета размеров капель, образующихся при распыливании жидкостей с помощью ПВР, используется ПИ «СО-ЮЗХИМПРОМПРОЕКТ» и Волжским научно-исследовательским институтом углеводородного сырья - ОАО "ВНИИУС" при расчете процессов физической и химической абсорбции газообразных компонентов из дымовых и технологических газов. Пакет прикладных программ «DROPCALC» включен в качестве автономного модуля в систему имитационного моделирования технологических объектов (SIMA, ВНИИУС, г. Казань).

Оценка экономической эффективности от внедрения отдельных разработок распылительных узлов деаэраторов и увлажнителей на основе ПВР проводилась в МУП ПО «Казэнерго» г. Казань, ООО «Елабужское предприятие тепловых сетей» г. Елабуга, в ОАО «Зеленодольское ПТС» г. Зеленодольск Республики Татарстан, а также в ЗАО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат». Подтвержденный актами экономический эффект, ожидаемый и полученный на данных предприятиях от внедрения результатов исследования, составляет 134, 550, 128 и 149 тыс. руб. в год, соответственно.

Отдельные результаты исследований внедрены в учебный процесс в виде дополнения к лекционному курсу по дисциплине «Инженерные оборудование зданий» для специальности 270301.65 на тему «Применение аппаратов на основе ПВР в системах вентиляции и пылегазоочистки». В лабораторном практикуме по курсу «Процессы и аппараты пылегазоочистки» используются экспериментальные стенды, а также программы для расчета отрывных объемов капель в монодисперсном режиме распыления ПВР и моделирования движения капель при взаимодействии с газовым потоком в контактной зоне аппаратов.

В заключение главы приводятся перспективные конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР. Входы в отдельные устройства выполнены в виде раструбов с гладкой внутренней поверхностью, спрофилированной по расчетным очертаниям отрывных зон.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ устройств для распыливания жидкости показал, что применение ПВР в конструкциях полых распылительных аппаратов может существенно повысить интенсивность и эффективность проведения процессов тепломассообмена, а также степень улавливания

пылей и аэрозолей, так как ПВР создают объемный, равномерный по сечению и практически монодисперсный факел распыла.

2. Анализ современного состояния теории и практики использования ПВР показал, что сегодня отсутствуют обоснованные физические представления и построенные на них математические модели каплеобразования на зернах наружной поверхности ПВР. Это сказывается на точности методик расчета дисперсных характеристик пористых распылителей.

3. Экспериментально и численным расчетом исследованы закономерности каплеобразования на моделях зерен ПВР в виде цилиндров, конусов и сфер в поле силы тяжести, получены зависимости отрывных объемов капель от геометрии каплеобразующих элементов, расхода и свойств жидкости. Определены границы перехода от каплеобразования к струйному истечению.

4. Построена математическая модель динамики каплеобразования на зернах ПВР в поле центробежной силы, учитывающая структурные характеристики пористого материала, а также интенсивность течения жидкости через распыливающую поверхность. Разработан алгоритм численной реализации модели.

5. Составлена программа для расчета изменения формы капель во времени с визуализацией этого процесса на экране ЭВМ. Рассчитаны отрывные объемы капель при различных структурных, геометрических и режимных параметрах работы ПВР.

6. Установлено, что динамика каплеобразования на зерне ПВР определяется соотношением

г- г/ю~ н/ р гзуФ „

критерия - , и числа We =-—, характеризующих, соответственно, относитель-

vi °

ный вклад центробежной силы и силы поверхностного натяжения жидкости в процессе. Получена зависимость безразмерного объема капель V от чисел Е\ и We в рекомендуемом диапазоне предельных угловых скоростей вращения распылителя <В1:р1[т, соответствующих

капельному режиму распыливания ПВР.

7. Экспериментально подтверждена адекватность динамической модели каплеобразования на зернах ПВР в монодисперсном (капельном) режиме распыления.

8. На основе предложенных моделей каплеобразования разработана методика инженерного расчета, позволяющая определять основные конструктивные и технологические параметры ПВР в зависимости от требуемого качества распыливания жидкости.

9. Предложен способ и ряд конструктивных вариантов ПВР, позволяющих нейтрализовать образование капель-спутников при работе в режиме монодисперсного распыления. В их основе лежит применение каплеобразователей в виде гибких упругих нитей, удерживающих на своей поверхности микрокапли при отрыве «основных» капель. Разработаны конструкции ПВР с вкладышем-центрифугой для работы с загрязненными жидкостями. Устройства защищены патентами и авторскими свидетельствами.

10. Предложен способ отвода капель-спутников из факела распыла ПВР в отсос с раструбом; сформулирована и решена задача по определению очертаний вихревых зон на входе во всасывающие отверстия в виде раструба. Определены характерные параметры этих зон при различных длинах и утлах раскрытия раструбов, что позволило сформулировать требования к геометрическим характеристикам отсоса и его интенсивности;

11. Разработан ряд конструкций тегсюмассообменных аппаратов с ПВР и приведены результаты их испытаний на эффективность.

12. Результаты исследований характеристик ПВР и их отдельные конструкции внедрены на действующих предприятиях: КОМЗ, МУП ПО «Казэнерго» г. Казань, ООО «Елабужское предприятие тепловых сетей» г. Елабуга, ОАО «Зеленодольское ПТС» г. Зеленодольск Республики Татарстан, ЗАОр (НП) «Поволжский фанерно-мебельный комбинат». Подтвержденный актами экономический эффект, ожидаемый и полученный на данных предприятиях, составляет 134, 550, 128 и 149 тыс. руб. в год соответственно. Пакет программ «DROPCALC» используется при имитационном моделировании технологических объектов на предприятиях ОАО "ВНИИУС" и ПИ «СОЮЗХИМПРОМПРОЕКТ» г. Казань.

Условные обозначения

6, ß - угол, коэффициент; z, г — цилиндрические координаты; р, ц - плотность и динамическая вязкость жидкости; ст, р - коэффициент поверхностного натяжения и давление жидкости; Q,v - объемный расход и скорость течения; g - ускорение свободного падения; Б - поверхность; П - область течения; а> -угловая скорость вращения; %, рог - коэффициент проницаемости и пористость материала ПВР; V, Д -операторы Гамильтона и Лапласа; t - время, температура; с - капиллярная постоянная; где тк - молекулярный вес испаряющейся жидкости; D - средний коэффициент диффузии молекул пара в насыщенный слой газа вокруг капли; Г, - средняя абсолютная температура в пограничном слое над поверхностью капли, АР - разность между давлением пара вблизи капли и в окружающей атмосфере, R - газо-V

вая постоянная; Sc = —- число Шмидта; v. - кинематическая вязкость газа; R» - радиус внешней по-D

верхности ПВР; v - средняя скорость жидкости, питающей каплю через поверхность поры ПВР, п -число оборотов вращения ПВР.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

(шрифтом выделены статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией)

1. A.C. № 1745358 (СССР). Распылитель для загрязненных жидкостей. Р.Г.Сафиуллин,

A.А.Колесник, А.Б.Сергеев, Н.А.Николаев. Опубл. в Б.И. №25, 1992.

2. Сафиуллин Р.Г. К расчету профиля капли, отделяющейся от вертикального цилиндрического стержня // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1993,- С.24-30.

3. Сафиуллин Р.Г. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1993.-С.67-72.

4. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Определение объемов капель, отрывающихся от смачиваемой сферы // В Межвуз. сб.: Исследование сетей, аппаратов и сооружений водоснабжения и канализации, КазИСИ, Казань, 1995. - С.24-30.

5. Патент № 2034266 (Россия). Способ определения поверхностного натяжения жидкостей. Р.Г.Сафиуллин, А.А.Колесник, В.Н.Посохин, H.A. Николаев. Опубл. в Б.И. №12, 1995.

6. Патент № 2042438 (Россия). Механический распылитель. Р.Г. Сафиуллин, А.А.Колесник,

B.Н.Посохин, H.A. Николаев. Опубл. в Б.И. №24, 1995.

7. Сафиуллин Р.Г., Субханкулов P.P., Маков Р.Н. Влияние геометрии каплеобразующего элемента, свойств и расхода жидкости на размер отрывающихся капель // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1997.- С.86-90.

8. Сафиуллин Р.Г., Колесник A.A., Посохин В.Н., Николаев H.A. Определение размеров капель, отделяющихся от смачиваемых поверхностей // Изв. вузов. Химия и химическая технол., 1998, Т.41, вып .3. - С.72-77.

9. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н., Салимов Н.Б. О формировании капель на гранулах пористых вращающихся распылителей // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1999.- С.34-40.

10. Посохин В.Н., Салимов Н.Б. Сафиуллин Р.Г. Распиливание жидкостей пористыми вращающимися распылителями // Изв. вузов. Строительство, 1999, №11. - С.130-133.

11. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н., Салимов Н.Б. Математическая модель каплеобразования на гранулах ПВР// Сборник трудов VI съезда АВОК, Москва, 2000. - С.82-86.

12. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н., Салимов Н.Б. Динамика свободной границы капли на зерне ПВР// Сб. тр. Гидромеханика отопительно-вентиляционных и газоочистных устройств. КГАСА, Казань, 2001.- с. 59-64.

13. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. О форме и размерах вихревых зон на входе в щелевые стоки - раструбы // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы I Международной НТК 25-29 сентября 2002. - Волгоград: Изд. ВолгГАСА, 2002.- С.32-35.

14. Катков М.В., Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. Подтекание к стокам при наличии ограждающих поверхностей // В сб.: Проблемы энерго - и ресурсосбережения: Материалы НТК Иж-ГТУ 26-27 июня 2002. - Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2003. С. 10-14.

15. Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. Течение вблизи плоского стока - раструба // В сб.: Проблемы энерго- и ресурсосбережения: Материалы НТК ИжГТУ 26-27 июня 2002. -Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2003. - С.15-18.

16. Сафиуллин Р.Г. О динамике каплеобразования на модели эллиптической гранулы ПВР в поле силы тяжести // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы 11 Международной НТК 15-19 сентября 2003. - Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2003. - С.189-192.

17. Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. О форме отрывных зон на входе в раструб // Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2003, №3-4. - С. 39-47.

18. R. Safiullin, V.Posokhin, A.Zhivov. Local exhaust classification and analytical design approach // В сб.: Specially Engineered Local Exhausts and Intelligent Exhaust Systems. - International Seminar. Zurich, March 21, 2003.

19. Николаев H.A., Посохин B.H., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. Динамика формирования капель при фильтрации через пористое тело // Теоретические основы химической технологии, 2004, том 38, Х»4. -С. 441-445. N. A. Nikolaev, V. N. Posokhin, N. В. Sa-limov, R.G. Safiullin. Dynamics of Drop Formation during Filtration through a Porous Body // Theoretical foundations of chemical engineering. Vol. 38, No. 4. 2004. - P. 415-419.

20. Сафиуллин Р.Г., Николаев H.A., Посохин В.Н., Колесник A.A. Диспергирование жидкости пористыми вращающимися распылителями. Модели каплеобразования. - Казань: ЗАО «Новое знание», 2004. — 64 с.

21. Сафиуллин Р.Г. Бытовой увлажнитель воздуха с пористым вращающимся распылителем // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы III Международной НТК 14-17 сентября 2004. - Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2004. -С.128-131.

22. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Динамическая модель каплеобразования на зерне пористого вращающегося распылителя // Материалы междунар. НТК 23-25 ноября 2005 «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции»: Сборник.- М.: МГСУ, 2005 - С. 182 -188.

23. Сафиуллин Р.Г. Аппарат для доувлажнения воздуха производственных помещений // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы IV Международной НТК 14-18 мая 2006. - Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2006. - С.106-110.

24. Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. Перспективные конструкции увлажнителей воздуха на основе пористых вращающихся распылителей // АВОК. - 2006. - №3. - С.82-88.

25. Сафиуллин Р.Г. Моделирование процесса каплеобразования на смачиваемых конических наконечниках // Вестник БелГТУ им. В.Г.Шухова, Белгород, 2007, №3, - С.16-18.

26. Сафиуллин Р.Г. Моделирование процесса каплеобразования на смачиваемой сфере // Вестник ВолгГАСУ, сер.: Естеств. науки. Волгоград, 2007. Вып. 6(23). - С. 154-158.

27. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Моделирование каплеобразования на смачиваемых элементах // Изв. вузов. Строительство, 2008, №3. - С.77-82.

28. Сафиуллин Р.Г., Протопопов В.А. О дисперсных характеристиках пористых вращающихся распылителей на основе абразивных материалов // Изв. вузов. Строительство, 2008, №5. - С.115-119.

29. Сафиуллин Р.Г. О формировании капель на цилиндрах и иитях // Изв. вузов. Строительство, 2008, №11-12. - С.108-Ш.

30. Сафиуллин Р.Г. Дисперсные характеристики пористых вращающихся распылителей и перспективные конструкции увлажнителей на их основе // Известия КазГАСУ, 2008, №2(10). - С. 109-114.

31. Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. Особенности течений вблизи стоков при наличии ограничивающих поверхностей // Материалы третьей междунар. НТК 11-13 ноября 2009 «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции»: Сборник докладов,- М.: МГСУ, 2009-С. 166-167.

32. Сафиуллин Р.Г. Экспериментальное исследование пористых вращающихся распылителей, разработанных для увлажнителей воздуха // Известия КазГАСУ, 2009. №2(12).-С. 213-216.

33. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Повышение эффективности систем увлажнения воздуха увеличением дисперсности распыла пористыми вращающимися распылителями // Водоснабжение и санитарная техника, 2010, № 1. - С. 52-55.

34. Сафиуллин Р.Г. К расчету пористых вращающихся распылителей (ПВР) для систем доув-лажнения воздуха // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы VIII Международной НТК 12-16 мая 2010. - Волгоград-Самарканд: Изд. ВолгГАСУ, 2010.-С. 147-149.

35. Сафиуллин Р.Г. К расчету увлажнителя воздуха на основе дисковых распылителей с зубчатой периферией. Часть 1. Модель каплеобразования// Известия КазГАСУ, 2010. №1(13).-С. 223-229.

36. Сафиуллин Р.Г. К расчету увлажнителя воздуха на основе дисковых распылителей с зубчатой периферией. Часть 2. Экспериментальное определение дисперсности распыла // Известия КазГАСУ, 2010, №1 (13). - С. 230-233.

37. Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. О повышении эффективности тепломассообменных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха при использовании пористых вращающихся распылителей (ПВР) // В сборнике докладов X международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» 1-3 декабря 2009. - Казань, 2010. - С. 196-203.

38. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Повышение эффективности аппаратов испарительного охлаждения // Приволжский научный журнал, 2010. №4. — С. 141-146.

39. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Вихревые зоны вблизи стоков при наличии ограничивающих поверхностей // Вестник Каз. Технол. Университета. 2011. №20. - С. 142145.

40. Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Расчет скоростей подтекания к щелевому стоку-раструбу // Вестник Каз. Технол. Университета. 2011. №22. - С. 41-46.

41. Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. К расчету течения вблизи раструба // Вестник Каз. Технол. Университета. 2012. №8. - С. 60-62.

42. Сафиуллин Р.Г. Определение скорости фильтрации в монодисперсном режиме распиливания пористыми вращающимися распылителями // В сб.: Перспективы развития строительного комплекса: материалы VI Международной НПК. 22-26 октября 2012 г. - Астрахань: ГАОУ АО ВПО «АИСИ», 2012. - Т. 1. - С. 187-191.

43. Посохин В.Н., Фатгахов А.Р., Сафиуллин Р.Г. О размерах отрывных зон на входе в отсос в виде осесимметричного раструба // В сб.: Качество внутрен. воздуха и окруж. среды: материалы X Междун. НК, 13-20 мая 2012. г.Будапешт / (Сост. А.Н. Гвоздков): ВГАСУ, Будапештский ун-т технологий и экономики, РААСН. - Волгоград: ВолгГ АСУ, 2012. - С.183-186.

44. Кареева Ю.Р., Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. Численное исследование струйного течения в ограниченном пространстве// Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2012. № 2. -С.30-34.

45. Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г., Фатгахов А.Р. Геометрические характеристики отрывных зон на входе в плоские и осесимметричные стоки-раструбы // Вестник Каз. Технол. Университета. 2012. №16. - С. 62-64.

46. Сафиуллин Р.Г. Пористые вращающиеся распылители для тепломассообменных аппаратов // Извести вузов. Химия и хим. технология, 2013, том 56, вып. 2. - С. 104107.

47.Сафиуллин Р.Г. О границах режима монодисперсного распиливания пористыми вращающимися распылителями // Извести вузов. Химия и хим. технология, 2013, том 56, вып. 4.-С.119-121.

Подписано в печать 19.06.13 Формат 60x84/16

Заказ № 304 Печать ризографическая Печ.л. 2,0

Тираж 100 экз. Бумага офсетная № 1

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Сафиуллин Ринат Габдуллович

ФОРМИРОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ КАПЕЛЬ В АППАРАТАХ С ПОРИСТЫМИ ВРАЩАЮЩИМИСЯ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

05201351735

На правах рукописи

Научный консультант дтн, профессор Посохин В.Н.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................ 6

Глава 1. ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ........ 15

1.1. Интенсификация процессов при диспергировании жидкости в поле центробежной силы. Обзор современных конструкций распылительного оборудования............... 15

1.2. Проблемы, связанные с качеством распыливания в

полых распылительных аппаратах......................... 22

1.3. Обзор способов монодисперсного каплеобразования

и устройств для тонкого распыления жидкостей............ 30

1.4. Конструктивные и эксплуатационные характеристики пористых вращающихся распылителей (ПВР)............... 48

1.5. Дисперсные характеристики распыла ПВР из абразивных материалов............................................ 58

1.6. Динамика диспергированной жидкости в аппарате

с ПВР................................................. 67

1.7. Задачи исследования................................ 68

Глава 2. МОДЕЛЬ КАПЛЕОБРАЗОВАНИЯ НА ЗЕРНЕ ПВР....... 71

2.1. Формализация модели каплеобразования............... 71

2.2. Определение средней скорости истечения жидкости

из пор ПВР............................................ 74

2.3. Постановка краевой задачи для моделирования

динамики капли на зерне ПВР........................... 79

2.4. Уравнения задачи и граничные условия для безразмерных переменных....................................... 84

2.5. Разработка методики определения последовательных изменений границ капли во времени...................... 86

2.6. Разработка алгоритма численной реализации математической модели каплеобразования на зерне ПВР..........90

2.7. Результаты расчета отрывных объемов капель....................106

2.8. Проверка адекватности модели каплеобразования

на зерне ПВР....................................................................................111

2.9. Основные результаты и выводы по главе 2..........................128

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПЫЛА ПВР............. 130

3.1. Экспериментальное исследование дисперсных характеристик распылов ПВР из крупнозернистого абразивного материала, полученного методом спекания..................... 133

3.2. Описание экспериментального стенда для исследования дисперсных характеристик распыла ПВР для тонкого распыления........................................... 140

3.3. Конструкция опытных образцов ПВР для тонкого распыления........................................... 142

3.4. Методика определения расхода жидкости через распылитель.......................................... 144

3.5. Методика определения размеров капель в распыле ПВР. . . 147

3.6. Результаты определения дисперсности распыла

опытных образцов ПВР тонкого распыливания..........................149

3.7. Основные результаты и выводы по главе 3..........................161

Глава 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ВЫДЕЛЕНИЯ

КАПЕЛЬ-САТЕЛЛИТОВ ИЗ ФАКЕЛА РАСПЫЛА ПВР....................163

4.1. Формулировка задачи............................... 164

4.2. Результаты численного моделирования и сравнение

с экспериментом....................................... 168

4.3. Определение критических параметров, определяющих переход от капельного истечения к струеобразованию....... 178

4.4. Разработка способа распыливания без образования капель-спутников и устройств для его осуществления....... 179

4.5. Экспериментальное определение диспергирующей способности образцов ПВР с поверхностным слоем

из радиальных нитей................................... 187

4.6. Метод инерционного отделения капель-спутников

из распыла ПВР........................................ 193

4.7. Основные результаты и выводы по главе 4............. 199

Глава 5. АЭРОДИНАМИКА АППАРАТОВ С ПОРИСТЫМИ ВРАЩАЮЩИМИСЯ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ...................... 202

5.1. Анализ сил, действующих на капли в контактной

зоне распылительных аппаратов.......................... 202

5.2. Уравнения движения капель в аппарате с ПВР.......... 208

5.3. Учет влияния испарения на движение капель в аппарате . . 211

5.4. Результаты численного моделирования движения

капель в объеме аппарата с ПВР.......................... 216

5.5. Постановка задачи для расчета формы отрывных зон во входных участках отсосов-раструбов, используемых в инерционном методе отвода капель-спутников из

аппаратов с ПВР....................................... 229

5.6. Алгоритм решения задачи о течении в отсосе-раструбе . . . 250

5.7. Результаты расчета очертаний границ течений в отсосе-раструбе........................................ 256

5.8. Проверка адекватности математической модели течения

в отсосе.............................................. 260

5.9. Основные результаты и выводы по главе 5............. 264

Глава 6. РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

КОНСТРУКЦИЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА

ОСНОВЕ ПВР.............................................. 266

6.1. Затраты энергии на распыливание жидкостей с помощью ПВР.................................................. 266

6.2. Методика расчета ПВР для промышленных аппаратов .... 269

6.3. Перспективные конструкции распылительных

аппаратов на основе ПВР................................ 285

6.4. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей.............................................297

6.6. Оценка санитарно-гигиенической и экономической эффективности использования результатов исследований.....301

6.7. Основные результаты и выводы по главе 6.............. 308

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .............. 310

ЛИТЕРАТУРА.............................................. 313

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................. 331

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В химической, пищевой и других отраслях промышленности, в теплоэнергетике, в системах кондиционирования воздуха и пылеогазоочистки широко применяются «мокрые» вихревые аппараты с интенсивным взаимодействием газа с каплями распыленной жидкости. Эффективность действия таких аппаратов существенно зависит от качества распиливания, под которым подразумевают высокую степень монодисперсности капель и равномерное их распределение в объеме аппарата.

В настоящее время для проведения процессов тепло-массообмена в промышленных аппаратах с интенсивным взаимодействием наиболее широко используются форсуночные устройства разнообразных конструкций. Форсунками создается полидисперсная система капель, механизм образования которых основан на распаде турбулентных струй и пленок жидкости под действием нерегулярных (случайных) возмущений. Кроме того, при распылении образуется крайне неравномерный по сечению факел распыла в виде полого или сплошного конуса. В аппаратах большой производительности приходится устанавливать десятки, а иногда и сотни параллельно работающих форсунок. Даже при оптимальной расстановке отдельные их факелы перекрывают друг друга, образуя зоны с избыточным орошением, а соответственно, с различной концентрацией капель в общем факеле распыла. С указанными недостатками форсунок в основном и связана низкая эффективность применяемых в промышленности «мокрых» аппаратов.

В настоящее время известны лишь отдельные распыливающие устройства, позволяющие получать приблизительно одинаковые по размерам капли. Прежде всего, это вращающиеся дисковые [1] и барабанные перфорированные распылители [2]. Сюда же относятся некоторые вибрационные, акустические и электрические устройства [5,6]. Однако все они имеют общий недостаток - образуют более или менее монодисперсные капли при расходах жидкости, как правило, слишком малых для промышленных

целей. Кроме того, для дисков и некоторых других распылителей характерен узкий неравномерный факел. Перфорированные барабаны, многоярусные и лопастные диски [2ч-4] хотя и позволяют получить довольно широкий и равномерный факел, но имеют очень узкие расходные характеристики.

В последние годы интенсивно исследуются пористые вращающиеся распылители (ПВР), позволяющие создать объемный, равномерный по сечению и практически монодисперсный капельный факел. В простейшем виде ПВР представляет собой полый пористый цилиндр, вращающийся вокруг своей продольной оси. Во внутреннюю полость распылителя подается жидкость, которая под действием центробежной силы фильтруется сквозь пористую стенку цилиндра и практически одноразмерными каплями сбрасывается с зерен на его внешней поверхности [8-И 1]. Известные конструкции ПВР обладают высокой прочностью, стойкостью к агрессивным средам, имеют промышленно пригодные расходные характеристики (до 10 т/ч распыливаемой жидкости). Важное свойство ПВР - технологичность изготовления и широкий выбор структурных, геометрических характеристик рабочих элементов распылителя. Указанные достоинства могут позволить успешно использовать ПВР в высокопроизводительных распылительных аппаратах химической, нефтехимической и смежных с ними отраслях промышленности.

Однако на сегодняшний день ощущается недостаточность информации о закономерностях работы ПВР, в особенности - о характеристиках монодисперсного режима диспергирования. Остаются малоизученными механизм формирования капель на рабочей поверхности ПВР и необходимые условия для устойчивой реализации монодисперсного распыления. Широкое применение ПВР в промышленности сдерживается и отсутствием методики расчета дисперсных характеристик распылителя, которая базировалась бы на физически и математически обоснованной модели про-

цесса каплеобразования. Важность разработки такой модели в рамках всестороннего исследования ПВР и их широкого применения в интенсивных тепломассообменных аппаратах и определила основное направление настоящей работы.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертации состоит в повышении эффективности работы интенсивных тепломассообменных аппаратов на основе использования ПВР с качественным регулируемым распылением жидкостей.

Научные задачи работы заключаются в том, чтобы, используя теоретические и экспериментальные методы, определить условия достижения монодисперсного режима каплеобразования при работе ПВР и закономерности влияния параметров процесса каплеобразования на формирование контролируемого однородного потока монодисперсных капель в объеме интенсивных тепломассообменных аппаратов.

Поставлены прикладные задачи - разработать на основе полученных научных результатов комплекс методик расчета, предложить и научно обосновать технические решения и принципы выбора рациональных схем и конструкций распылительных аппаратов с ПВР, использование полученных научных результатов при проектировании и внедрении промышленного оборудования.

В соответствии с поставленной целью в непосредственные задачи исследования входило:

- изучение закономерностей каплеобразования на моделях каплеобра-зующих элементов ПВР в поле силы тяжести и определение физического механизма отрыва капель; определение границ перехода от капельного истечения к струеобразованию;

- разработка математической модели каплеобразования ПВР с учетом свойств структуры материала распылителя и динамики процесса в поле центробежной силы;

- экспериментальное определение границ значений параметров работы ПВР, при которых реализуется монодисперсный распыл;

- разработка программы по расчету размеров капель, образующихся при работе ПВР в монодисперсном режиме распыления;

- разработка конструкций ПВР для тонкого монодисперсного распыления и определение их дисперсных характеристик;

- разработка математической модели формирования и определение очертаний отрывных зон на входных раструбных участках распылительных аппаратов;

- разработка методики инженерного расчета ПВР и рекомендаций по проектированию аппаратов на основе ПВР, практическая апробация результатов исследования;

- разработка эффективных конструкций тепло-массообменных и очистных аппаратов на основе ПВР.

Объектами исследования являются процесс каплеобразования на капле-образующих элементах ПВР разной формы поверхности, а также распылительные аппараты, реализующие процесс монодисперсного распыливания в различных процессах химической технологии и систем тепловлажност-ной обработки воздуха. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем построения теоретических моделей, допускающих аналитические и численные решения.

Научную новизну диссертации составляют:

- выявленные закономерности в формировании и отрыве капель от кап-леобразующих элементов цилиндрической, конической и сферической форм поверхности; границы перехода от каплеобразования к струйному истечению;

- полученные экспериментально и численным расчетом отрывные объемы капель в зависимости от геометрии каплеобразующего элемента, расхода и свойств жидкости в поле силы тяжести;

- разработанная динамическая модель процесса каплеобразования на зернах ПВР, позволяющая выполнить расчет объемов образующихся капель жидкости в зависимости от свойств этой жидкости, структурных, геометрических и режимных характеристик вращающегося распылителя;

- выявленные критерии, определяющие динамику каплеобразования на зернах ПВР, и результаты расчета отрывных объемов капель, образующихся в монодисперсном режиме работы ПВР;

- полученная численным расчетом зависимость для среднего диаметра капель от скорости вращения и размера зерна ПВР в режиме монодисперсного распыления;

- результаты экспериментальных исследований по определению дисперсных характеристик образцов ПВР для тонкого распыления на основе абразивных микропорошков и пористых волокнистых оболочек;

- предложенный комбинированный способ выделения капель-спутников из распыла ПВР, при котором используется как обдувающий, так и всасывающий потоки воздуха;

- разработанная математическая модель для расчета течений и формы вихревых зон вблизи всасывающих отверстий с раструбами, рекомендуемых к применению при инерционном выделении капель-спутников из распыла ПВР;

- результаты расчета характерных размеров вихревых зон в зависимости от длины раструба и угла его раскрытия;

- предлагаемый инженерный метод расчета оптимальных параметров ПВР на основе абразивных материалов для промышленных аппаратов;

- оригинальные конструкции распылителей с нитями для регулируемого монодисперсного распыливания загрязненных и вязких жидкостей;

- высокоэффективные конструкции распылительных аппаратов основе ПВР;

- способ определения поверхностного натяжения жидкостей, полученный на основе изучения закономерностей каплеобразования на конических элементах в поле силы тяжести.

Работа выполнена в Казанском государственном архитектурно-строительном университете в рамках научно-технической программы «Архитектура и строительство» 1995 г. Проект 1.7.95 Д: «Исследование механизма каплеобразования пористыми вращающимися распылителями»; научно-технической программой «Архитектура и строительство» 1998 г. Проект 7.1.4: «Возможности монодисперсного распыливания жидкостей вращающимися распылителями и разработка конструкций распылителей с регулируемыми дисперсными характеристиками»; в соответствии с соглашением №14.В37.21.0644 от 16.08.12 между МО РФ и ФГБОУ ВПО Каз-ГАСУ «Разработка высокоэффективных способов очистки жидких сред от примесей и предотвращения выбросов паров в атмосферу на основе математического моделирования и оптимизации», выполняемого в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг., а также с планами госбюджетных и х/д НИР КазГАСУ на 2000-2010 гг.

Достоверность результатов работы. Математические модели разрабатывались на основе классических методов механики сплошных сред. В теоретических исследованиях использовались сертифицированные программные комплексы. Представленные в диссертации результаты теоретических исследований подтверждаются результатами экспериментальных исследований автора. Экспериментальные данные получены с использованием ап-

робированных методов и методик измерений, и не противоречат известным результатам.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики процесса формирования и отрыва капель от каплеобразующих элементов различной формы поверхности (моделях зерен ПВР), выполненные в условиях действия силы тяжести и в поле центробежной силы;

- результаты экспериментальных исследований дисперсных характеристик ПВР тонкого распыла;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований образования капель-спутников и способы их нейтрализации и инерционного отделения с применением всасывающих отверстий, выполненных в форме раструба;

- конструктивные решения распылителей для регулируемого монодисперсного диспергирования;

- методика расчета и рекомендации по проектированию эффективных аппаратов на основе ПВР.

Практическая значимость определяется решением в рамках диссертации кру�