Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы совершенствования распылительных аппаратов для систем обработки воздуха
1.1. Основные факторы, определяющие интенсивность процессов тепломасообмена в распылительных аппаратах обработки воздуха
1.2. Обзор способов монодисперсного каплеобразования , и устройств для тонкого распыления воды. Пути снижения энергозатрат на распыливание
1.3. Диспергирующая способность пористых вращающихся распылителей (ПВР) ,
1.3. Аэродинамика входных участков распылительных аппаратов..
1.5. Задачи исследования
Глава 2. Исследование закономерностей каплеобразования в тепловлагоообменных аппаратах. модель формирования монодисперсных капель в поле силы тяжести
2.1. Формулировка задачи...
2.2: Схема: экспериментальной установки по, формированию капель
2.3: Результаты численногомоделирования каплеобразования и сравнение с экспериментом
2.4. Определение критических параметров, определяющих переход от капельного истечения к струеобразованию . .
Глава 3. Интенсификация каплеобразования в поле центробежнои силы. модель монодисперсного каплеобразования на зернах внешней поверхности ПВР .
3.1. Идеализация модели каплеобразования
3.2. Определение средней скорости истечения жидкости из поры 81
3.3. Постановка краевой задачи 84
3.4. Уравнения задачи и граничные условия для безразмерных переменных 89
3.5. Определение последовательных изменений границ капли во времени 90
3.6. Расчет начального приближения для формы капли 95
3.7. Алгоритм численной реализации математической модели каплеобразования на зерне ПВР 98
3.8. Результаты расчета отрывных объемов капель 103
Глава 4. Экспериментальное исследование дисперсных характеристик ПВР, разработанных для распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования 108
4.1. Оборудование для экспериментального исследования дисперсных характеристик ПВР из абразивного материала 108
4.2. Описание экспериментального стенда для исследования дисперсных характеристик ПВР тонкого распыления 113
4.3. Описание опытных конструкций образцов ПВР тонкого распыления 115
4.4. Методика определения расхода воды и размеров капель 124
4.5. Характеристика дисперсности распыла опытных образцов ПВР , 127
Глава 5. Снижение энергозатрат на воздушном тракте распылительных аппаратов. расчет формы отрывных зон во входных участках : 138
5.1. Постановка задачи 138
5.2. Определение параметров отображения для короткого раструба 144
5.3. Параметры отображения для случая длинного раструба 157
5.4. Методика и результаты расчета очертаний границ течений 168
Глава 6. Разработка и практическое использование конструкций распылительных аппаратов на основе ПВР 175
6.1. Затраты энергии на распыливание жидкостей с помощью ПВР 175
6.2. Методика расчета ПВР для промышленных аппаратов 178
6.3. Перспективные конструкции аппаратов для обработки воздуха на основе ПВР 197
6.4. Разработка способа бесспутникового каплеобразования и устройств для его осуществления. Распылители для загрязненных жидкостей 205
6.5. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей 213
6.6. Оценка санитарно-гигиенической и экономической эффективности использования результатов исследований 218
Основные выводы и результаты работы 221
Литература 224
Приложения 245
- Обзор способов монодисперсного каплеобразования , и устройств для тонкого распыления воды. Пути снижения энергозатрат на распыливание
- Результаты численногомоделирования каплеобразования и сравнение с экспериментом
- Определение последовательных изменений границ капли во времени
- Описание опытных конструкций образцов ПВР тонкого распыления
Введение к работе
Актуальность темы. Актуальными задачами для отечественных предприятий, занимающихся выпуском и внедрением климатических систем, являются совершенствование существующей и разработка принципиально новой высокоэффективной техники для обработки воздуха, работа которой базируется на более полной реализации теоретических подходов, использованных при ее проектировании. Решение этих задач позволит создать конкурентоспособную продукцию на мировом рынке по себестоимости и качеству, отличающуюся высокой эффективностью и низким энергопотреблением.
Эффективность современных распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования, таких как градирни, камеры орошения, скрубберы и др. не достаточно высока. В первую очередь это связано с традиционным использованием в них гидравлических и пневматических форсунок, распыл которых крайне полидисперсен и неравномерен по сечению аппарата, что является следствием используемого механизма каплеобразования - спонтанного распада струй и пленок жидкости под действием нерегулярных возмущений. Полидисперсность распыла воды приводит к существенному отклонению реальных процессов обработки воздуха от теоретически возможных, так как капли разного размера при тепломассобмене ведут себя по-разному: крупные капли на всем протяжении контакта с воздухом только нагреваются, мелкие капли интенсивно испаряются в объеме аппарата.
Практика использования распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха показывает, что их эффективность не может быть повышена без перехода на новые, современные монодисперсные технологии распыливания воды с регулируемым качеством распыла, позволяющие добиться полной управляемости процессами тепловлажностной обработки воздуха.
Анализ проблемы показывает, что в системах вентиляции и кондиционирования будет эффективным использовать распылители с качественно иным, чем у форсунок, механизмом каплеобразования, при котором капли формируются на множестве одноразмерных каплеобразующих элементов в регулярном режиме. Например, статические перфорированные распылители, которые позволяют получать крупные одноразмерные капли диаметром 24 мм для проведения процессов испарительного охлаждения воздуха. Для тонкого распыления при увлажнении воздуха могут использоваться вращающиеся распылители – диски с зубчатой периферией, перфорированные или пористые оболочки с практически монодисперсным распылением воды на капли диаметром менее 1 мм.
С точки зрения простоты конструкции, высокого качества распыла, дешевизны и низких энергозатрат на распыливание наиболее предпочтительным для систем вентиляции и кондиционирования воздуха является применение пористых вращающихся распылителей (ПВР) на основе фильтрующей керамики, пористого стекла, металлокерамики или абразива. Изотропность структуры и однородность зернового состава пористого тела определяет практически монодисперсное каплеобразование при работе ПВР.
Регулирование тонкости распыла у ПВР достигается изменением скорости их вращения. Одноразмерные капли диаметром 5001000 мкм образуются в струйном режиме при скоростях вращения до 2 м/с. С увеличением скорости до 6-8 м/с капли в распыле уменьшаются в размере до 100200 мкм. При достижении скоростей вращения свыше 12-20 м/с наблюдается практически монодисперсное распыление воды - режим каплеобразования непосредственно на зернах внешней поверхности пористого тела распылителя. В этом режиме ПВР создают равномерный однородный факел распыла, в котором преобладают капли диаметром менее 50 мкм.
Применение технологии распыливания воды на основе ПВР и других распылителей с регулируемым качеством распыла открывает широкие возможности для создания высокоэффективных, малогабаритных, простых по конструкции, надежных в работе и удобных в ремонте тепломассообменных аппаратов. Однако распылители с каплеобразующими элементами в системах вентиляции и кондиционирования практически не используются. В первую очередь это связано с неясностью вопроса о механизме каплеобразования, о влиянии характеристик структуры материала, геометрии каплеобразующих элементов, расхода и скорости вращения на размеры образующихся капель, то есть - с отсутствием физико-математической модели монодисперсного каплеобразования в целом. Важность разработки научных основ такой модели для конструирования энергоэффективных контактных аппаратов на основе распылителей с каплеобразующими элементами определяет актуальность настоящей работы.
Остается малоизученным механизм образования капель-спутников, наличие которых в распыле ухудшает степень его дисперсности. Известные расчетные зависимости для размеров капель в распыле носят экспериментальный характер, имеют значительную погрешность и не позволяют правильно конструировать и применять распылители подобного класса в системах обработки воздуха.
Цель работы и задачи исследования. Цель заключается в разработке теоретических основ монодисперсных технологий распыливания воды, необходимых для квалифицированного проектирования и расчета воздушных и распылительных трактов современных высокоэффективных тепломассообменных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
В соответствии с поставленной целью решались основные задачи исследования:
определить оптимальные размеры капель, необходимых для эффективного проведения процессов тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха;
изучить закономерности процесса каплеобразования на каплеобразующих элементах разной геометрии в поле силы тяжести; определить физический механизм отрыва капель и зависимость их размеров от формы каплеобразующих элементов и расхода жидкости; определить границу перехода от капельного истечения к струеобразованию;
разработать математическую модель монодисперсного каплеобразования на каплеобразующих элементах ПВР с учетом свойств структуры материала распылителя и динамики процесса в поле центробежной силы;
экспериментально определить граничные значения параметров работы ПВР, при которых реализуется монодисперсный распыл;
разработать методику инженерного расчета ПВР и рекомендации по проектированию аппаратов для систем вентиляции и кондиционирования воздуха на основе монодисперсных технологий распыливания воды;
разработать математическую модель для определения полей скорости течения и очертаний отрывных зон на входе воздуха в раструбные участки распылительных аппаратов;
определить параметры вихревых зон на входах в распылительные аппараты с раструбами различной геометрии;
провести практическую апробацию результатов исследования.
Научная новизна:
впервые разработана математическая модель монодисперсного каплеобразования, позволяющая определять размеры капель в зависимости от геометрических, структурных и режимных параметров пористых распылителей и устройств с каплеобразующими элементами;
впервые исследованы закономерности монодисперсного каплеобразования при формировании капель на статических каплеобразующих элементах и при распыливании воды пористыми вращающимися распылителями (ПВР); установлены критерии, характеризующие динамику каплеобразования и определяющие размеры капель в распыле ПВР; определены критические значения критериев, в пределах которых достигается режим монодисперсного распыления;
впервые разработана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика расчета устройств с монодисперсным распыливанием воды для систем обработки вентиляционного воздуха, а также методика расчета распылительных систем доувлажнения воздуха непосредственно в помещении с учетом времени полного испарения капель;
впервые разработана математическая модель для расчета течений и формы вихревых зон вблизи всасывающих отверстий в виде раструбов, используемых в аппаратах систем вентиляции и кондиционирования воздуха;
впервые определены основные характерные параметры вихревых зон на входах в раструбы с различной геометрией, разработаны рекомендации по профилированию входных участков распылительных аппаратов с целью снижения их энергоемкости и уменьшения шума, создаваемого ими;
разработаны энергоэффективные конструкции аппаратов для обработки вентиляционного воздуха на основе монодисперсной технологии распыливания воды.
На защиту выносятся:
выявленные закономерности формирования и отрыва капель от каплеобразующих элементов цилиндрической, конической и сферической форм поверхности; границы перехода от каплеобразования к струйному истечению в поле силы тяжести;
полученные экспериментально и численным расчетом зависимости отрывных объемов капель от геометрии каплеобразующих элементов, расхода и свойств жидкости в поле силы тяжести;
разработанная динамическая модель процесса каплеобразования на зернах ПВР в поле центробежной силы, позволяющая выполнить расчет объемов образующихся капель в зависимости от свойств жидкости, структурных, геометрических и режимных характеристик вращающегося распылителя;
полученные значения критериев, определяющих динамику каплеобразования на зернах ПВР, а также результаты расчета отрывных объемов капель, образующихся в монодисперсном режиме работы ПВР;
полученная зависимость для среднего диаметра капель от скорости вращения и размера зерен 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;
конструкции распылителей с нитями для регулируемого монодисперсного распыливания загрязненных и вязких жидкостей; конструкции ПВР для работы с загрязненными жидкостями;
инженерный метод расчета параметров ПВР для промышленных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха;
математическая модель для расчета течений и формы вихревых зон вблизи всасывающих отверстий аппаратов с раструбами;
результаты расчета характерных размеров вихревых зон в зависимости от длины раструба и угла его раскрытия;
конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР для тепловлажностной обработки вентиляционного воздуха;
Достоверность результатов работы. Математические модели разрабатывались на основе классических методов механики сплошных сред. Представленные в диссертации результаты теоретических исследований подтверждаются результатами экспериментальных исследований автора. Экспериментальные данные получены с использованием апробированных методов и методик измерений, и не противоречат известным результатам.
Практическая значимость результатов работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы – научное обоснование способов снижения энергоемкости тепломассообменных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также разработка эффективных распылителей для проведения широкого ряда технологических процессов, требующих создания высокоразвитой поверхности взаимодействия фаз при равномерно распределенном в пространстве и монодисперсном по составу факеле распыла.
Практическую ценность имеют:
программа по расчету объемов капель, образующихся в режиме монодисперсного распыления при каплеобразовании в центробежном поле;
методика расчета характеристик вращающихся распылителей с требуемым качеством распыла для эффективных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха;
способ определения поверхностного натяжения жидкостей, полученный на основе изучения закономерностей каплеобразования на конических элементах в поле силы тяжести.
конструкции механических распылителей с гибкими нитями, обладающие регулируемым качеством распыла в широком диапазоне производительности для распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха;
конструкции распылителей для работы с жидкостями, загрязненными механическими примесями;
конструкции увлажнителей воздуха бытового и промышленного назначения на основе вращающихся распылителей с тонким монодисперсным распылением воды.
Результаты исследований закономерностей монодисперсного каплеобразования и отдельные конструкции энергоэффективных аппаратов для обработки воздуха внедрены в системах вентиляции и кондиционирования на действующих предприятиях 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». Экономический эффект по каждой проведенной модернизации составляет более 100 тыс. рублей в год и подтвержден актами внедрения.
Рекомендации по расчету вращающихся монодисперсных распылителей с каплеобразующими элементами, а также по конструированию распылительных аппаратов на основе ПВР использованы институтом ГУП «Татинвестгражданпроект» при разработке проектов систем для поддержания оптимальных параметров микроклимата в помещениях общественных зданий.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и публиковались в сборниках трудов на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях, посвященных теоретическим основам теплогазоснабжения и промышленной вентиляции, качеству внутреннего воздуха и окружающей среды, проходивших в городах России (Казань 1997, 2009, 2010 гг.; Волгоград 2002, 2003, 2004, 2006, 2010 гг.; Ижевск 2002, 2003 гг.; Москва 2000, 2005, 2009 гг.), а также за рубежом (Швейцария, Цюрих, 2003 г.).
Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором. Использованные материалы других исследователей помечены ссылками на литературный источник.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, в том числе монография и 14 статей в журналах по списку ВАК. Получено 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 295 страницах и состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает 227 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Иллюстрационный материал содержит 43 рисунка, 8 таблиц в тексте.
Обзор способов монодисперсного каплеобразования , и устройств для тонкого распыления воды. Пути снижения энергозатрат на распыливание
Эффективность охлаждения и осушения воздуха в аппаратах распылительного типа также существенно зависит от диапазона регулирования тонкости и дисперсности распыла для минимизации отклонения процессов в сторону увлажнения. Ниже рассматриваются технические возможности получения монодисперсных крупных ( 500 мкм) и мелких капель ( 30 мкм) для систем централизованной и местной обработки воздуха.
Наибольшее распространение как в технике в целом, так и в кондиционировании воздуха в частности, получили гидравлические форсунки. При гидравлическом распылении основным энергетическим фактором, приводящим к распаду жидкости на капли, является давление нагнетания. Этот способ признан наиболее экономичным по потреблению энергии (от 30 до 50 Вт/кг воды), его к.п.д. распыливания (отношение энергии, затрачиваемой на образование новой поверхности капель к полной энергии, подводимой к распылителю) составляет порядка 0.04ч-0.08 % [58- 63].
Однако, создаваемый гидравлическими форсунками распыл крайне полидисперсный и неоднородный по сечению факела, с большим содержанием крупных фракций (рис. 1.3).
Распределение капель в распыле в целом соответствует нормальному закону распределения случайной величины. Это связано с тем, что механизм каплеобразования основан на нерегулярном распаде пленки и турбулентной струи, формирующейся на выходе из сопла форсунки (рис. 1.3, б).
Генерируемый форсункой факел капель имеет форму полого или заполненного конуса. При совместной работе нескольких распылителей неизбежно происходит пересечение факелов (рис. 1.4) и столкновение капель друг с другом, слияние и вторичное дробление капель на более мелкие [60, 65-f-68]. В результате еще больше увеличивается полидисперсность распыла, в контактной камере аппаратов образуются зоны с неодинаковыми показателями плотности орошения.
Средний диаметр образующихся капель (медиана распределения) и диапазон их разброса в распыле увеличивается с уменьшением давления жидкости. Поэтому изменение производительности распылительной установки обычно достигается не регулировкой давления, а изменением количества попеременно включаемых форсунок. Все это дополнительно усложняет регулирование процессов обработки воздуха, снижает их эффективность и приводит к отказу от использования гидравлических форсунок в современных распылительных аппаратах.
Требуемой степенью тонкости с близким к монодисперсному составом капель характеризуется распыл у пневматических форсунок, широко применяемых в химической технологии. Распылители этого типа с диаметром сопла dc = 0.15- 0.2 мм в последнее время интенсивно продвигаются зарубежными производителями вентиляционной техники на отечественный рынок [69ч-73].
При пневматическом распылении энергия для диспергирования подводится к жидкости в результате динамического взаимодействия ее с высокоскоростным потоком сжатого воздуха (скорость воздуха на выходе из форсунки достигает 100-ь250 м/с). В результате жидкость уже в корпусе форсунки расслаивается на отдельные тончайшие пленки и турбулентные нити, которые затем распадаются на полидисперсную систему капель диаметром от 1 до 50 мкм непосредственно за кромкой сопла (рис. 1.5, б). Распределение капель в распыле, также как и у гидравлических форсунок, носит вероятностный характер, однако, диапазон размеров существенно узок (рис. 1.5, а). При этом качество распыления не зависит от расхода жидкости, а определяется давлением воздуха и размером сопла [62].
Производители позиционируют пневматические форсунки (т.н. ато-майзеры) как наиболее удачное решение для проведения глубокого увлажнения воздуха ( р 95%) в централизованных установках, а также и для местного доувлажнения воздуха непосредственно в обслуживаемых помещениях. Однако широкое применение пневматических форсунок в вентиляционной технике всегда будет сдерживаться наличием существенных эксплуатационных недостатков. Среди основных - повышенный расход энергии на распыление (более 100 Вт/кг воды), необходимость в распыливаю щем агенте (сжатом воздухе) и в оборудовании для его подачи. Дополнительным ограничением является обязательность использования деминерализованной воды во избежание закупоривания солевыми отложениями микросопел, выполненных с применением лазерных технологий.
Анализ литературных данных по способам распыления жидкости [58-г63] показывает, что механизм нерегулярного распада пленок и турбулентных струй, реализуемый форсунками всех типов, всегда приводит к полидисперсной системе капель в распыле. Только в отдельных случаях при использовании специальных способов и конструкций распылителей возможно получение монодисперсных капель. К этим случаям следует отнести: осесимметричный естественный распад ламинарных струй в отсутствии помех (распад Релея); распад струй и пленок жидкости при наложении на них искусственных возмущений определенной частоты или длины волны; непосредственное образование капель из отверстий или на капле-образующих элементах.
Распад струй на капли привлекал внимание таких крупнейших исследователей как Релей [74], Бор [75], Вебер [76]. Интерес к этому процессу не снижается и в настоящее время в связи с проблемами получения одноразмерных капель для принтерной печати, изготовления медицинских препаратов в виде аэрозолей, оптимизации процессов впрыска горючего в двигателях внутреннего сгорания [77- -88]. Большое количество работ посвящено исследованию механизма регулируемого распада струй на монодисперсные капли при производстве порошков и гранул, эмульгировании и ряде других технологий [88-г99].
Результаты численногомоделирования каплеобразования и сравнение с экспериментом
При скоростях вращения свыше 20 м/с (7000- 10000 об/мин) возможно достижение практически монодисперсного капельного режима, когда на каждом зерне формируется и отрывается не струя, а отдельная капля. Наиболее существенное влияние на размер и распределение капель в этом режиме (при смачивании) оказывают структурные характеристики ПВР, и в первую очередь, зернистость распыливающей поверхности. Это видно в практически аналогичном распределении капель по размерам в факеле распыленной жидкости и зернового состава абразивного материала распылителей (рис. 1.18). Так, для ПВР с зернистостью марки 250 характерно наличие основной фракции зерна, соответствующей размеру мене 100 мкм, и содержание дополнительной фракции в количестве 10-г40 % от основной. Обе основных фракции капель также имеют соответствующее содержание в распыле. Эта особенность свойственна и для ПВР с зернистостью марки 400.
Анализируя результаты известных исследований ПВР [163,169-;-178] можно отметить, что переход от одного режима распыления к другому при работе распылителя зависит от взаимодействия питающего отверстия (поры) и распыливающего элемента (зерна). Избыток жидкости, подаваемый к-центрам каплеобразования, приводит к струеобразованию или пленке. Последняя образуется при слиянии жидкости над вершинами зерен на внешней поверхности распылителя.
Отсюда следует, что существенным в анализе работы ПВР является выявление границы или области, где может быть осуществлено монодисперсное капельное истечение. Эта область, очевидно, определяется некоторым критическим расходом жидкости при данной скорости вращения ПВР, для которого заданы характеристики пористой структуры и геометрии распыливающего элемента (средние диаметры зерна d3 и пор d„, пористость материала рог, коэффициент формы зерен кф, наружный Я„ и внутренний Rmi радиусы ПВР и др.). Границы области каплеобразования зависят также от свойств распы-ливаемой жидкости и характера ее взаимодействия с материалом ПВР (смачивание-несмачивание). Ниже приведены известные результаты исследований [163Д71-Т-173Д78], показывающие взаимосвязь указанных параметров и их влияние на размеры образующихся капель в монодисперсном режиме распыления.
Анализ дисперсности распыленной с помощью ПВР гидрофильной жидкости в третьем режиме показал [163], что распределение размеров капель в факеле соответствует распределению размеров зерен в абразивном материале. Полученный результат свидетельствует, что при смачивании каплеобразование в этом режиме происходит на зернах наружной поверхности ПВР.
Методом анализа размерностей в работе [163] была получена формула для расчета диаметров капель, образующихся в монодисперсном режиме распыления где со - угловая скорость вращения; р и а - соответственно, плотность и поверхностное натяжение распиливаемой жидкости. При значении коэффициента к= 0.52 экспериментальные диаметры капель имеют минимальное расхождение с расчетными (±18%).
При несмачивании жидкостью абразивного материала капли образуются и отрываются из пор ПВР. Об этом свидетельствует анализ экспериментальных данных по распыливанию ПАВ в воде, проведенный в работах [163,171,173]. Степень монодисперсности в этом случае несколько ухудшается, так как характер распределения размеров капель соответствует неравномерному характеру распределения размеров пор в изделиях из абразивного материала. Так, по данным [163], средний диаметр пор составляет (40ч-55)х10"6 м, а максимальный - (200ч-300)х10"6 м. Для расчета диаметров образующихся капель в случае несмачивания также рекомендована формула (1.20), где вместо d3 необходимо учитывать средний размер пор dn. Связь между расходом жидкости и скоростью вращения распылителя в монодисперсном режиме была получена в работах [163,171] в виде Условие Q QKp, по мнению авторов [163,171], обеспечивает работу ПВР в режиме монодисперсного каплеобразования-при скоростях вращения 12-4-20 м/с. Однако, это условие не определяет границы капельного истечения для распылителей с отличной от исследованных зернистостью. Определяющими могут стать критерии Рейнольдса (Re) и Вебера (We), характеризующие течение жидкости в пористой структуре ПВР и факторы, обуславливающие формирование и отрыв капель. Так, анализ опытных величин чисел Рейнольдса, вычисленных по формуле ju 1 - рог, показывает, что в условиях проведения экспериментов имел место ламинарный режим течения, Re 20 (диапазон изменения расходов жидкостей в III режиме составлял 2-10"34-9610"3 м3/с, плотности 10104-1188 кг/м3, вязко-стиЛ .04-26 Па-с, скорости вращения 0.74-21- м/с при площади-фильтрации 21-10"4 4-83.9-10"4 м2 и среднем значении коэффициента формы зерна абразива кф=1Я [163]). Таким образом, ламинарность течения жидкости в порах материала является основным условием работы ПВР в монодисперсном режиме распыления. пределах 0.007 We 0.014, что=также можно считать границами,-характеризующими монодисперсный режим распыления. Важное значение для устойчивого каплеобразования имеет форма зерна пористого материалами характер течения тонкого жидкостного слоя по- его поверхности. Последнее практически не изучено до настоящего времени хотя5 известны конструкции аналогов ПВР с каплеобразующими элементами в виде тонких стержней: [179,180]; полусфер, конусов и эллипсоидов [181-], и других.форм поверхности, которые, также (по данным авторов): позволяют получать распыл; с однородным- составом! капель. Так Шмидт [160]?указывает, чтошаиболее: подходящей формой зерен? является сфера. Вїработе [163]; предлагает использовать конические каплеобразова-тели; В; [Г63Ц 82] также і была рассмотрена работа аналога ПВР т генератора монодисперсных аэрозолей (FMA). Распылитель представляет собой; набор дисков в щель, между которыми установлены каплеобразующие элементы в. виде игл. Анализ дисперсности- распыленной- жидкости,; при, расходе 20-Ю"6 м3/с И: скоростш вращения 28;8; м/с; показал, что распыл-, практически монодисперсный; Соотношение d0 / dm 2, а в болыпинг стве своем это значение не- превышало 1.4 . Фотоснимки процесса каплеобразования показывают, что на каждом: каплеобразующем элементе формируется сверхтонкая пленка жидкости, равномерно смачивающая? всю его поверхность. По мере поступления жидкость, скапливается на! острие:кап-леобразователя и сбрасывается под действием центробежной силы, в виде капли, а образующаяся при отделении капли перемычка разрывается, на кончике острия без образования» капель-спутников.
Определение последовательных изменений границ капли во времени
Учитывая необходимость более полного экспериментального подтверждения выдвинутых предположений о механизме каплеобразования с поверхности ПВР, была разработана и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая определять дисперсные и гидравлические характеристики пористых вращающихся распылителей.
В исследованиях применялись распылители на основе серийно выпускаемых абразивных цилиндров типа ЧЦ [164] из электрокорунда белого и нормального с размером основной фракции зерна 250 и 400 мкм, что соответствует обозначению зернистости 25П и 40П соответственно.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.1. Экспериментальный стенд включал в себя электродвигатель постоянного тока 2 для привода во вращение распыливающего устройства 1. Питание осуществлялось от сети переменного тока через выпрямитель 4, который обеспечивал возможность плавного изменения скорости вращения вала в диапазоне О-г-250 об/с. В схеме выпрямителя установлены амперметр и вольтметр, позволяющие определять потребляемую двигателем мощность.
Жидкость может подаваться в распылитель непосредственно от сети водопровода или из питающей емкости 6. Необходимое давление в 6 создается сжатым воздухом с помощью компрессора 7. Распыленная жидкость через приемный бункер уходила в емкость 11, где предусмотрена возможность подготовки рабочих жидкостей с различными физическими свойствами. Рабочая жидкость закачивается в емкость 6 насосом 12. Регулирование расхода осуществляется вентилями 8 до и после ротаметров 9.
Скорость вращения распылителя определялась по: скорости вращения вала электродвигателя путем измерения последней тахометром с часовым механизмом 5: (предел измерений от 0 до! 157 об/с, класс точности 1.5). Расход жидкости!измерялся ротаметрами 9 которые предварительно?калибровались объемным мето дом.. Вязкость и плотность жидкостей.опреде1-лялась по методикам; изложенным- в [212]:, Давление перед распылителем: измерялось.манометром 10 (предел измерений отО до 40 кПа, класс точности Г. 0).
Анализ дисперсности распыла, проводился; с помощью фотографирования [213] относящегося-к прямым методами;используемого для;калиб-ровкиї большинства косвенных методов; Несмотря, натрудоемкость метода, связанную с; подсчетом и обмером большого числа: капель, он позволяет получать как качественную картину, так и количественные результаты с достаточно высокой точностью. Кроме того,.метод не вносит искажений в поле, наблюдения, отличается простотой аппаратурного оформления, возможностью определять не только дисперсный состав.распылённой;, жидкости, но и изучать механизм каплеообразования путем визуализации факела и его структуры.
Предусматривалась возможность фотографирования факела распыла фотоаппаратом 13 при различных масштабах съемки. Для изучения дисперсности распыла проводилась макросъемка в масштабе 1:6 с глубиной резкости до 50 мм, что давало возможность фиксировать размеры капель на всю глубину факела, равную высоте распылителя. Фотокамера устанавливалась на координатнике 14 таким образом, что оптическая ось объектива проходила перпендикулярно к плоскости факела.
Длительность экспонирования при съемке задавалась временем свечения лампы - вспышки 16, управляемой через разрядное устройство 18. В единичном разряде длительность вспышки составляла Ы0"6 секунды. В качестве источника света использовалась импульсная лампа ИСШ-100-5, заключенная в водопроницаемый корпус прожектора 17. Расположение лампы-вспышки относительно объекта съемки выбиралось согласно известной зависимости освещенности от расстояния [214]. Работа с фотоаппаратом осуществлялась через нарукавники и прорези 15, сделанные в светопроницаемой камере 3.
Съемка проводилась на пленку Тип-17 с чувствительностью 500 ед. ГОСТ, коэффициентом контрастности - 2.0 и разрешающей способностью 100 линий/мм. Обрабатывалась экспонированная пленка в проявителе Д-19а. Указанная выше длительность свечения лампы-вспышки и разрешающая способность оптической системы (не менее 31 линий/мм) позволяли получать изображения капель и картины развития процесса распыления во времени недеформированными (несмазанными) во всем диапазоне принятых в опытах скоростей вращения ПВР, а следовательно, и скоростей движения капель жидкости.
Дисперсный состав распыла определялся анализом снимков участка факела радиусом до 0.1 ми углом при вершине 10. Мера ошибки составляла менее 3% при коэффициенте вариации 80. Измеренные капли разделялись на фракции: менее 0.1 мм; 0.1-Ю.2 мм, 0.2-0.3 мм и т.д. По данным фракционного состава вычислялся средний объемно-поверхностный диаметр капель с/з2 в факеле распыла (средний диаметр по Заутеру [215]). Он представляет собой такой размер капли, отношение объема которой к ее поверхности равно отношению суммарного объема всех капель в распыле к их поверхности
Описание опытных конструкций образцов ПВР тонкого распыления
Расчет показывает, что для рассматриваемого помещения достаточно использовать один ПВР, который устанавливается на 0.5 м ниже потолка и на расстоянии более 2.0 м от стен.
Требуемая производительность Шт=\5.%— может быть достигнута засчет импульсной подачи воды на распыление (т.н. пропусками), для чего в контуре питающего водопровода необходимо установить автоматический регулятор расхода с прецизионным дозирующим устройством.
Предлагаемая методика расчета ПВР для системы доувлажнения воздуха была использована при реконструкции вентиляции в производственной типографии завода «Сантехприбор» г. Казани.
По данным технологов в зимний период в типографии появлялись проблемы, связанные со слипанием листов бумаги в стапеле и готовых наборов в стопе. Это влекло за собой сбои в работе самонакладов, приемных и приемно-комплектующих устройств печатных и брошюровочно-переплетных машин, резко снижалась их паспортная производительность. Отпечатанные листы бумаги и картона не совмещались со штампами для вырубки и горячего тиснения. При печати многокрасочной иллюстрационной продукции на двух- и однокрасочных печатных машинах возникали проблемы с приводкой изображений.
Основными причинами выявленных проблем было признано возникновение статического электричества в трущихся узлах, приводных ремнях и бумаге, проходящей через печатные станки, которое обуславливается пониженной влажностью воздуха в производственных помещениях. По данным ежегодных измерений, выполненных представителями группы ОиВ завода, в зимний период она составляла 15-4-25%.
В отсутствие специальных технических увлажнительных устройств в типографии- задачу повышения влажности до нормируемого уровня 50-4-60% решали ежечасной влажной уборкой в производственных помещениях, а также путем регулярного разбрызгивания воды пульверизаторами вокруг печатных машин. Это давало некоторый положительный кратковременный эффект, но не решало проблемы в целом.
При выполнении работ по реконструкции системы вентиляции было установлено, что в различных помещениях типографий следует поддерживать различную величину относительной влажности воздуха. Например, в формных цехах, цехах офсетной и глубокой печати, на операциях фальцовки рекомендуемая относительная влажность воздуха должна составлять 50-4-60%, на участке трафаретной печати, в процессах склейки и обрезки -60-4-70%, при пробной печати на плоскопечатных станках - 70-4-80%. Указанные рекомендации имеются в технологических инструкциях к процессам полиграфического производства, а также в инструкциях по эксплуатации полиграфического оборудования. В ходе реконструкции было принято решение об использовании центрального кондиционера для подачи нормативного количества приточного воздуха, обеспечивающего в холодный и переходный периоды единую влажность 50% во всех помещениях типографии. Заданное значение относительной влажности было решено поддерживать с помощью систем доув-лажнения. Мощность СДУ была определена расчетным путем для каждого конкретного отделения. В качестве увлажняющего устройства СДУ была разработана специальная конструкция мобильного диспергатора на основе ПВР, которая устанавливалась непосредственно в производственных помещениях вблизи технологического оборудования.
Схема и внешний вид устройства показаны на рис.6.5. Пористый вращающийся распылитель 1 наружным диаметром 20 мм, выполненный на основе стандартного абразивного изделия типа ПП из микропорошка М10, с помощью детали 2 укреплялся на валу высокоскоростного («=4500 об/мин) электродвигателя 3 марки СД-30-Ф.
На валу с обратной стороны двигателя устанавливался осевой вентилятор 4 производительностью по воздуху 300 м /ч с обечайкой 5 диаметром 120 мм. Данная конструкция фиксировалась на мачте 6 и имела возможность вращения вокруг вертикальной оси на 360. С помощью насоса 7, установленного в баке 8, вода на распыливание направляется по трубке 9 к наконечнику 10, расположенному в открытой полости ПВР. Количество подаваемой воды регулировалось вентилем 11. Через штуцер 12 отводилась вода, не испарившаяся в потоке после распыления и достигшая стенок отражателя 13.
По оценкам технологов завода проведение мероприятий по нормализации влажности в типографии принесло ощутимый экономический эффект благодаря экономии бумаги и картона до 5 7 % и сокращения времени на приладку машин до 20% (см. акт внедрения в Приложении). Срок окупаемости внедренной системы доувлажнения составил 6 месяцев.
Общий максимальный объем распыляемой увлажнителем водной аэ-розоли составляет до 0.05 м /час, что позволяет использовать один аппарат для увлажнения воздуха в помещении с максимальной площадью до 300ч-350 м2 и общим максимальным объемом 1500-І-1600 м3.
