ИССЛЕДОВАНИЕ  РАБОТЫ  ЦЕНТРОБЕЖНОЙ  ФОРСУНКИ  В  РЕЖИМЕ  ПОЛУЧЕНИЯ  КРУПНЫХ  КАПЕЛЬ

Систер  Владимир  Григорьевич

член-кор.  РАН,  д-р  техн.  наук,  профессор  Московского  государственного  машиностроительного  университета  (МАМИ)  г.  Москва

Крюкова  Елена  Николаевна

аспирант  Московского  государственного  машиностроительного  университета  (МАМИ),  г.  Москва

E-mail:  krnelena@mail.ru

Рустамбеков  Михаил  Константинович

канд.  техн.  наук,  главный  научный  сотрудник  ГИАП,  г.  Москва

STUDY  OF  A  SWIRL-TYPE  NOZZLE  WORK  IN  MODE  OF  OBTAINING  LARGE-SCALE  DROPLETS

Sister  Vladimir

Corresponding  member  of  the  RAS,  Doctor  of  Engineering  Science,  professor  of  Moscow  State  University  of  Mechanical  Engineering  (MAMI),  Moscow

Kryukova  Elena

Postgraduate  of  Moscow  State  University  of  Mechanical  Engineering  (MAMI),  Moscow

Rustambekov  Mikhail

Senior  Scientist  of  GINI  (Grodno  Scientific  Research  Design  Institute  of  Nitrogen  Industry  and  Organic  Synthesis  Products),  Candidate  of  Engineering  Science,  Moscow

АННОТАЦИЯ

Поставлена  задача  исследования  процесса  диспергирования  жидкости  центробежной  форсункой  с  целью  получения  однородного  дисперсного  состава  капель.  Рассмотрены  основные  методы  изучения  процесса  диспергирования,  а  также  возможные  способы  обработки  результатов.  Представлены  результаты  эксперимента  по  исследованию  дисперсного  состава  на  воде. 

ABSTRACT

The  aim  of  the  work  is  to  examine  the  process  of  liquid  dispersion  using  a  swirl-type  nozzle  in  order  to  get  the  clean  size  distribution  of  droppings.  There  are  briefly  reviewed  the  principle  methods  of  dispersion  study  as  well  as  the  possible  processing  techniques  of  the  results.  There  is  presented  the  size  distribution  on  water  research  data.

Ключевые  слова.  Диспергирование  капель,  центробежная  форсунка,  распыл,  дисперсный  состав,  узел  генерации  капель,  пленка  жидкости,  вставка  форсунки.

Key  words:  dispersion  of  droppings;  swirl-type  nozzle;  spray;  size  distribution;  node  point  of  droppings  generation;  liquid  film;  nozzle  insert. 

Актуальность  темы.  На  сегодняшний  день  имеется  множество  литературы  и  научных  работ  по  описанию  [1,  7,  8]  процесса  распыливания  жидкостей  центробежными  форсунками  в  воздушный  поток  и,  как  следствие,  достаточно  хорошо  изучен.  Но  вот  использование  центробежной  форсунки  с  целью  получения  крупных  капель  (>1000  мкм)  редко  применяется  в  промышленности,  и  поэтому  было  недостаточно  изучено.  В  то  же  время,  например,  при  необходимости  гранулировать  расплавы  суспензий  минеральных  удобрений,  в  градирнях  для  уменьшения  потерь  воды,  а  так  же  при  искусственном  дождевании  в  сельском  хозяйстве  целесообразно  использовать  именно  форсунки,  работающие  в  режиме  образования  крупных  капель  [6,  4]. 

Размер  капель,  получаемых  при  диспергировании  жидкости  центробежными  форсунками,  является  одной  из  ключевых  характеристик,  определяющих  эффективность  эксплуатации  производства.  Например,  в  производстве  минеральных  удобрений  основными  показателями  качества  продукции  являются  гранулометрический  состав  и  прочность. 

Главной  задачей  работы  является  определение  условий,  обеспечивающих  получение  как  можно  большего  количества  капель,  соответствующих  требуемым  качественным  характеристикам.

Метод  исследования.  Для  выбора  рационального  метода  исследования  диспергирования  жидкости  центробежной  форсункой  в  режиме  образования  крупных  капель  были  рассмотрены  некоторые  существующие  методы,  из  которых  наиболее  широко  применяются  два  метода:

·счетно-импульсный  метод,  основанный  на  получении  изображения  капель  с  помощью  импульсных  источников  света  с  последующим  расчетом  и  обработкой  полученных  изображений  (как  правило,  вручную);

·метод  улавливания  капель,  основанный  на  улавливании  некоторого  количества  капель  иммерсионной  средой,  также  с  последующим  обсчетом  вручную  [7]. 

Оба  метода  достаточно  трудоемкие,  занимают  много  времени  и  имеют  большую  погрешность  измерения.

Для  быстрого  и  надёжного  анализа  спектра  размеров  получаемых  частиц  мы  использовали  лазерный  анализатор  Spraytec,  измеряющий  размеры  частиц  в  диапазоне  до  2500  мкм,  и  позволяющий  получать  за  очень  короткое  время  дифференциальную  и  интегральную  кривые  распределения  капель  по  размерам,  в  реальном  режиме  работающей  форсунки.  В  основу  работы  прибора  Spraytec  заложен  метод  лазерной  дифракции,  основанный  на  регистрации  интенсивности  рассеянного  света,  угловая  зависимость  которого  определяется  размером  и  оптическими  свойствами  частиц.  С  помощью  системы  Spraytec  можно  получать  результат  каждые  100  мкс,  что  обеспечивает  высокую  точность  анализа  динамики  распыления  жидкости.  Луч  лазера  передается  через  капли  в  измерительной  зоне  и  с  помощью  линзы  фокусируется  в  плоскость  детектора.  Далее  производится  измерение  углового  распределения  света,  рассеянного  частицами.  Таким  образом  снятая  угловая  зависимость  интенсивности  рассеянного  излучения  обрабатывается  и  вычисляется  распределение  частиц  по  размерам  с  помощью  алгоритма  анализа  многократного  рассеяния  [9].

Ход  эксперимента.  Для  проведения  экспериментов  нами  была  создана  экспериментальная  установка  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Экспериментальная  установка

Узел  генерации  капель  состоит  из:  центробежной  форсунки,  закрепленной  на  металлическом  каркасе;  стеклянного  куба,  вставленного  в  поддон  для  сбора  жидкости,  бак  для  сбора  и  нагнетания  жидкости.  Давление  исходной  жидкости  определяется  манометром,  установленным  перед  форсункой,  расход  —  при  помощи  двухканального  расходомера  US800.  Значение  расхода  исходной  жидкости  регулируется  вентилем,  установленным  на  линии  нагнетания. 

Насосом  жидкость  по  трубопроводу  поступает  к  форсунке,  далее  закручивается  по  каналам  внутренней  вставки  и  выходит  из  сопла  форсунки  сначала  в  виде  закрученной  пленки,  а  с  увеличением  расхода  и  давления  —  закрученным  потоком  образующихся  капель.  В  этот  момент  определяется  дисперсный  состав  образовавшегося  факела  распыла  жидкости  с  помощью  прибора  Spraytec.

Для  более  наглядного  и  подробного  изучения  динамики  процесса  образования  капель  была  использована  скоростная  видеосъемка  (до  5  000  кадров/с).  Кадры  пробной  серии  экспериментов  с  применением  сверхскоростной  видеокамеры  представлены  на  рис.  2. 

Рисунок  2.  Образования  «дыр»  на  пленке  жидкости

Из  рис.  2  видно,  что  пленка  жидкости,  образующаяся  на  выходе  из  сопла  форсунки,  распадается  на  капли  вследствие  образования  «дыр»  и  последующим  их  ростом.  На  основании  литературных  данных  [4,  7,  8  и  др.],  а  также  полученных  кадров  фотоприборов  в  стробоскопическом  свете  и  кадров  скоростной  видеосъемки,  можно  утверждать,  что  распад  пленки  происходит  в  следующем  порядке:

·     образование  первичных  (крупных  и  мелких)  волн  на  пленке;

·     образование  и  дальнейший  рост  «дыр»  в  пленке;

·     стягивания  перемычки  между  «дырами»  в  жгуты  и  дальнейший  распад  их  на  капли.

Для  визуализации  процесса  образования  капель  были  проведены  видеосъемки  (рис.  3)  в  свете  стробоскопических  вспышек.  Установив  стробоскоп  на  частоту  вспышек,  совпадающей  с  частотой  съемки  камеры  мы  получили  четкую  картину  процесса.  Кадры  стробоскопической  видеосъемки  процесса  диспергирования  центробежной  форсункой  со  вставкой,  имеющий  шаг  закрутки  каналов  18  мм,  представлены  на  рис  3  а.  Для  сравнения  на  рис.  3  б  представлен  кадр  эксперимента  на  форсунке  с  той  же  вставкой,  сделанный  при  освещении  фотовспышкой,  на  рис.  3  в  без  вспышек.

                  а                                       б                                     в

Рисунок  3.  Факел  распыливания  центробежной  форсункой:  а  —–  стробоскопическая  съемка  процесса  диспергирования  жидкости  центробежной  форсункой  при  давлении  0,1  Па  и  расходе  2,0  м3/час;  б  —  фотосъемка  при  освещении  фотовспышкой  (параметры  процесса  такие  же);  в  —  обычная  фотосъемка  при  дневном  свете  без  дополнительных  эффектов

Форсунка  (рис.  3)  имеет  вставку  с  3-мя  закрученными  каналами,  по  которым  поток  воды  закручивается  и  приобретает  ускорение  на  выходе  из  сопла. 

Литературные  источники  приводят  восемь  режимов  распада  закрученной  струи  [8]:

1.  Жидкость  истекает  из  форсунки  сплошной  струей,  распадающейся  на  крупные  капли. 

2.  Жидкость  истекает  из  форсунки  прозрачным  пузырем,  замыкающимся  в  одной  точке,  из  которой  происходит  распад  на  капли  (рис.  4).

3.  Жидкость  истекает  в  форме  тюльпана  с  цилиндрической  частью.

4.  Жидкость  истекает  тюльпаном  конической  формы.

5.  Жидкость  истекает  тюльпаном  конической  формы  с  образованием  в  центре  маленьких  капель.

6.  Из  сопла  форсунки  идет  мгновенное  образование  капель,  без  пленки  жидкости.

7.  Далее  распыливание  заключается  в  образовании  более  мелких  капель,  и  они  еще  отчетливо  видны. 

8.  Жидкость  выходит  в  виде  тумана.

Рисунок  4.  Конструкция  экспериментальной  форсунки

Для  примера  на  рис.  5  а  представлен  второй  режим  распада  пленки.  Данное  фото  было  сделано  при  помощи  стробоскопа.  Пленка  жидкости  истекает  в  виде  пузыря,  сужающегося  к  низу,  который  далее  распадается  на  капли.  На  указанном  снимке  можно  видеть  наклонную  цепочку  капель,  образующихся  по  кромке  «дыры».  На  рис.  6  б  приведен  тот  же  режим,  снятый  без  стробоскопической  вспышки. 

Возможности  существующей  экспериментальной  установки  позволяют  осуществлять  режимы  1—6.  При  этом  целью  нашего  исследования  являются  режимы  3,  4,  а  также  режим  6.  Исследования  проводятся  на  модельных  вставках  с  шагом  закрутки  канала:  8  мм,  10  мм,  12  мм,  14  мм,  16  мм  и  18  мм,  а  также  на  различных  модельных  жидкостях,  имеющие  заданные  параметры:  плотности,  вязкости  и  поверхностного  натяжения. 

Распад  пленки  жидкости  во  всех  разновидностях  объясняется  или  возникающими  в  пленке  капиллярными  волнами,  или  турбулентными  пульсациями.  Для  описания  вышеуказанных  режимов  предлагаются  безразмерные  критерии  подобия,  связывающие  влияние  сил  инерции,  вязкости  и  поверхностного  натяжения.  Для  третьего  режима  принят  критерий,  связывающий  силы  инерции  и  поверхностного  натяжения  ;  для  режима  4  тот  же  критерий    плюс  критерий,  связывающий  силы  инерции  и  вязкость  ;  для  режима  6  —  критерий  связывающий  силы  инерции  и  вязкость    [8]. 

 а                                     б

Рисунок  5.  Вторая  форма  распада  пленки:  а  –  при  стробоскопической  вспышке;  б  –  обычная  фотосъемка

Результаты  эксперимента.  На  данном  этапе  проведены  серии  опытов  на  воде.  На  основании  полученных  результатов  дисперсного  состава  построены  графики  (рис.  6)  для  дальнейшего  анализа  полученного  распределения  капель,  при  диспергировании  воды  центробежной  форсункой  со  вставками,  имеющими  шаг  закрутки  каналов  —  8,  10,  12,  14,  18  мм.

Рисунок  6.  Графики  распределения  дисперсного  состава  капель,  образующихся  при  диспергировании  воды  центробежной  форсункой,  где  Q  —  значение  расхода  воды,  м³/ч

Предварительно,  можно  выделить  режимы  диспергирования  жидкости,  при  которых  мы  получаем  более  однородный  дисперсный  состав  капель,  а  также  определить  влияние  геометрических  характеристик  на  качество  процесса  диспергирования.

Параметры  эксперимента,  проведенного  на  воде,  представлены  в  таблице  1.

Таблица  1.

Параметры  процесса  диспергирования  воды  центробежной  форсункой

На  представленных  графиках  видно,  что  наиболее  однородное  распределение  капель  получается  при  наименьшем  расходе.  Данный  процесс  может  объясняется  возникновением  меньшего  количества  возмущений  в  пленке  жидкостей,  ведущих  к  ее  дальнейшему  разрушению  на  капли  разного  размера,  и  большим  влиянием  сил  инерции  и  поверхностного  натяжения.

Вывод.  Изучив  расходные  и  геометрические  характеристики  процесса  диспергирования  жидкостей  при  помощи  центробежной  форсунки  с  помощью  современных  методов  и  смоделировав  процесс,  можно  будет  подобрать  оптимальные  расчетные  зависимости  для  получения  желаемого  дисперсного  состава. 

Предстоит  также  изучить  влияние  вязкости  и  поверхностного  натяжения  на  процесс  получения  крупных  капель  при  диспергировании  центробежной  форсункой  и  вывести  закономерности,  на  основании  которых  можно  судить  о  их  влиянии  на  однородность  дисперсного  состава  капель.

Список  литературы:

1.Витман  Л.А.  Распыливание  жидкости  форсунками  /  Витман  Л.А.,  Кацнельсон  Б.Д.,  Панеев  Н.И..  М.:  Госэнергоиздат,  1962.  265  c.

2.Дубровский  В.В.,  Подвысоцкий  А.М.,  Баштовой  А.И.  Определение  дисперсного  состава  капель  при  распыливании  жидкости  из  центробежной  форсунки  //  УДК  532.529.  Институт  общей  энергетики  НАН  Украины,  Киев,  Украина.  2004.  С.  94—99.

3.Ермолаев  В.В.  Нетрадиционные  методы  воздействия  на  жидкость  при  диспергировании  центробежной  форсункой  //  ТПА  Расчеты  и  конструирование.  Трубопроводная  арматура  и  оборудование  /  2  (23).  2006.  С.  76—78.

4.Исаев  А.П.  Гидравлика  дождевальных  машин.  М.,  1973.  С.  14—29.

5.Карачинов  В.А.,  Ильин  С.В.,  Торицин  С.Б.,  Карачинов  Д.В.  Телевизионные  методы  диагностики  форсунок  //  Вестн.  новгородского  гос.  ун-та.  2004.  №  26.  С.  155—160.

6.Олевский  В.М.  Технология  аммиачной  селитры  /  В.М.  Олевский.  М.:  Химия,  1978.  С.  82—101. 

7.Пажи  Д.Г.,  Галустов  В.С.  Распылители  жидкостей  /  Пажи  Д.Г.  М.:  Химия,  1979.  214  с.

8.Хавкин  Ю.И.  Центробежные  форсунки.  Л.:  Машиностроение,  Ленинградское  отделение,  1976.  168  с.

9.Dr.  Alan  Rawle,  BASIC  PRINCIPLES  OF  PARTICLE  SIZE  ANALYSIS  Written  by  Dr.  Alan  Rawle,Malvern  Instruments  Limited,  Enigma  Business  Park,  Grovewood  Road,  Malvern,  Worcestershire,  WR14  1XZ,  UK