Введение к работе
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 поверхности. 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 II 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-5-IV 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.
Похожие диссертации на Формирование и движение капель в аппаратах с пористыми вращающимися распылителями
