АДАПТИВНОЕ  УПРАВЛЕНИЕ  ПАРАМЕТРАМИ  АКУСТИЧЕСКОГО  ВОЗДЕЙСТВИЯ  ПРИ  ДИСПЕРГИРОВАНИИ  ЖИДКОСТЕЙ

Колчков  Вячеслав  Иванович

канд.  техн.  наук,  профессор  Московского  государственного  машиностроительного  университета  (МАМИ),  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

ADAPTIVE  CONTROL  OF  ACOUSTIC  PARAMETERS  IMPACT  LIQUID  DISPERSION

Vyacheslav  Kolchkov

candidate  of  Technical  Sciences,  Professor  of  MSMU,  Russia  Moscow

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен  способ  и  устройства  адаптивного  управления  параметрами  акустического  воздействия  при  диспергировании  жидкостей,  обеспечивающие  резонанс  частоты  колебаний  вибрирующего  элемента  с  частотой  распада,  струй  в  зависимости  от  изменения  расхода  потока  жидкости.

ABSTRACT

A  method  and  apparatus  adaptive  control  parameters  of  acoustic  impact  by  dispersing  liquids  providing  the  resonance  frequency  of  vibration  of  the  vibrating  element  with  a  frequency  decay  jets  depending  on  changes  in  fluid  flow.

Ключевые  слова:   адаптивное  управление;  акустическое  воздействие;  диспергирование  жидкостей;  резонанс  частоты  колебаний;  вибрирующий  элемент;  частота  распада,  струй;  однородность  гранулометрического  состава.

Keywords:   adaptive  management;  acoustic  effect;  dispersing  liquids;  sprinkling  liquids;  resonance  oscillation  frequency;  vibrating  element;  frequency  decay  jets;  uniformity  of  grain  size;  size  and  shape  of  the  granules.

Производство  гранул  различного  назначения  в  большинстве  случаев  основано  на  процессе  разбрызгивания  жидкого  расплава  в  поток  охлаждающего  теплоносителя.  В  настоящее  время  наиболее  распространенным  способом  производства  гранул  является  гранулирование  из  расплава  в  башнях.  Так,  например,  разбрызгивание  расплавов  с  помощью  различных  гранулирующих  устройств  (диспергаторов)  в  пространство  грануляционной  башни  применяется,  для  производства  аммиачной  и  известково-аммиачной  селитры,  карбамида,  а  также  некоторых  других  видов  удобрений.  При  истечении  с  определенной  скоростью  из  диспергатора  (гранулятора)  расплав  разделяется  на  отдельные  капли,  которые  при  свободном  падении  в  потоке  воздуха  охлаждаются  и  затвердевают,  образуя  гранулы  определённого  размера.

Производство  таких  широко  применяемых  удобрений,  как  аммиачная  селитра  и  карбамид,  расплавы  которых  не  содержат  твёрдых  компонентов,  в  настоящее  время  основано  главным  образом  на  диспергировании  с  использованием  статических  грануляторов,  представляющих  собой  металлический  корпус,  в  днище  которого  просверлено  множество  отверстий  малого  диаметра.  После  истечения  расплава  через  отверстия  поток  жидкости  распадается  на  отдельные  капли. 

Промышленное  гранулирование  расплава  аммиачной  селитры  в  грануляционных  башнях  осуществляется  при  струйном  истечении  жидкости  из  рабочих  отверстий  гранулятора.  При  этом  важной  характеристикой  является  точность  размера  и  формы  получаемых  гранул,  т.  е.  равномерность  их  геометрических  характеристик  во  всём  множестве  продукта. 

Равномерность  геометрических  характеристик  гранул  обеспечивает  однородность  гранулометрического  состава,  от  которого  зависит  эффективность  применения  удобрения  при  механизированном  разбрасывании  на  полях.  В  случае,  если  однородность  гранулометрического  состава  не  соответствует  норме,  становятся  возможными  локальные  участки,  на  которых  гранулы  ложатся  на  землю  сплошным  пятном,  что  крайне  не  желательно. 

Неравномерность  геометрических  характеристик  гранул  возникает  в  силу  различных  возмущающих  воздействий,  происходящих  при  истечении  расплава  из  отверстий  в  днище  диспергатора,  поэтому  истекающие  струи  оказываются  неустойчивыми  в  гидродинамическом  отношении.  Поверхность  струй  неопределённым  образом  искажается,  что  приводит  к  нестабильности  размеров  и  формы  образующихся  капель,  вызывая,  в  конечном  счете,  неоднородность  гранулометрического  состава  продукта.  При  этом,  происходящие  процессы,  как  показали  эксперименты,  близки  к  случайным.

Исследованиями  установлено,  что  процесс  распада  струи  на  капли  можно  стабилизировать  созданием  в  потоке  жидкого  расплава  акустического  воздействия  путём  наложения  на  струю  расплава  вынуждающих  колебаний,  близких  к  собственной  частоте  распада. 

Вынуждающие  колебания  оказывают  значительное  влияние  на  образование  капель  из  струи,  уменьшают  длину  не  распавшейся  части  струи  и  резко  сужают  фракционный  состав  конечного  продукта  [6,  с.  42].  Исходя  из  этого,  наиболее  перспективными  конструкциями  грануляторов  в  настоящее  время  являются  статические  гранулирующие  устройства  с  наложением  вибраций.

Современное  гранулирующее  оборудование  с  помощью,  установленных  в  них  виброгенераторов  справляется  с  задачей  получения  монодисперсного  состава  гранул  только  при  расчётной  номинальной  нагрузке  по  диспергируемому  расплаву.  При  отклонении  расхода  от  номинального,  распад  перестает  быть  однородным,  что  приводит  к  существенному  отклонению  среднего  размера  капель,  а,  следовательно,  и  гранул  от  расчётного  значения,  а  также  образованию  так  называемых  капель-спутников,  ухудшающих  качество  готового  продукта. 

При  номинальной  нагрузке  частота  колебаний  источника  совпадает  с  собственной  частотой  образования  капель  при  распаде  струй,  зависящей  от  расхода  жидкости  и  диаметра  отверстий.  Перфорированное  днище  диспергатора  имеет  отверстия  одинакового  (в  пределах  допуска)  диаметра,  поэтому  собственная  частота  образования  капель  изменяется  только  в  зависимости  от  расхода  диспергируемой  жидкости,  т.  е.  от  нагрузки.  Следствием  этого  является  невозможность  вышеуказанных  грануляторов  обеспечивать  однородный  гранулометрический  состав  капель  в  широком  диапазоне  нагрузок  по  расплаву. 

Из  основных  закономерностей  свободного  (без  наложения  внешних  вибраций)  распада  струй  маловязкой  жидкости,  установленных  Релеем  [5]  следует,  что  из  спектра  случайных  малых  возмущений,  возникающих  на  струе  вблизи  отверстия  истечения,  развиваются,  растут  и  приводят  к  разбиению  её  на  капли  только  возмущения  с  определённой  длиной  волны. 

Частота  возмущений  f₁  ,  соответствующая  этой  длине  волны,  определяется  зависимостью: 

f ₁  =  w_стр  /  4,51d_стр  ,  Гц  ,  (1)

где:  w_стр  —  скорость  истечения  в  м/сек, 

d _стр  —  диаметр  струи  в  м. 

Скорость  истечения  w_стр  зависит  от  расхода  расплава,  она  определяется  напором  —  H  и  может  быть  выражена  зависимостью:

w _стр  =  µ,  м/сек,  (2)

где:  µ  —  коэффициент  расхода, 

g  —   ускорение  свободного  падения  в  м/сек².

При  достаточно  высоком  качестве  обработки  отверстий  в  днище  гранулятора  диаметр  струи  d_стр  ≈  d₀  ,  где  d₀  —  диаметр  отверстий  в  днище. 

При  распаде  струй  реальной  жидкости  наблюдаются  значительные  отклонения  среднего  диаметра  капель  от  теоретических  значений.  Кроме  того,  из-за  перешейков  между  образовавшимися,  но  ещё  не  оторвавшимися  от  струи  каплями,  при  отрыве  образуются  мелкие  капли  —  спутники. 

Наложение  на  струю  внешних  вибраций  с  частотой,  равной  f₁,  приводит  к  исчезновению  капель-спутников  и  образованию  практически  монодисперсных  капель,  что  подтверждается  исследованиями  авторов  [1,  2].  Наложение  внешних  вынуждающих  колебаний,  используемое  в  статических  грануляторах,  может  дать  положительные  результаты  и  в  случае  применения  в  некоторых  других  типах  грануляторов.

Для  возбуждения  вынуждающих  колебаний  в  виброгрануляторах  предлагались  различные  типы  вибраторов  —  пневматические  и  жидкостные  сирены,  сильфоны  с  электроприводом  и  другие,  но  в  производстве  удобрений  нашли  применение  три  типа  —  пневмомеханические,  гидроакустические  и  с  электромагнитным  приводом.  Электромагнитные  вибраторы  требуют  взрывозащищённого  исполнения  и  поэтому  применяются  в  редких  случаях.  В  настоящее  время  в  массовом  производстве  азотных  удобрений  используются  главным  образом  пневмомеханические  и  гидроакустические  вибраторы,  создающие  колебания  постоянной  частоты. 

Заметим,  что  в  производственных  условиях  нагрузка  —  расход  расплава  проходящего  через  гранулятор  или  группу  грануляторов  может  изменяться  в  достаточно  широком  диапазоне.  Отсюда  следует,  что  поскольку  диаметр  и  количество  отверстий  в  днище  гранулятора  неизменны,  то  напор,  а,  следовательно,  скорость  истечения  согласно  зависимости  (2)  также  изменяется.  Исходя  зависимости  (1)  можно  сделать  вывод,  что  частота  вынуждающих  колебаний  f₁  для  создания  резонанса  и  получения  нужного  эффекта  также  должна  быть  изменена. 

В  случае,  если  частота  вынуждающих  колебаний  остаётся  постоянной  и  соответствует  частоте  образования  капель  при  номинальной  нагрузке  необходимый  эффект  может  быть  не  достигнут.  В  работе  [6,  с.  145],  приведены  данные,  из  которых  следует,  что  даже  при  незначительных  расхождениях  этих  частот,  сохранение  воздействия  вынуждающих  колебаний  на  струи,  возможно  только  при  небольшом  колебании  нагрузки. 

Например,  в  рамках  теории  Рэлея  [5]  можно  утверждать,  что  при  уменьшении  нагрузки  на  гранулятор  свыше  30  %,  эффект  от  воздействия  вынуждающих  колебаний  на  распад  струи  пропадает.  Частота  вынуждающих  колебаний  в  грануляторах,  применяемых  в  промышленности,  не  регулируется  и  постоянна  по  величине.  Поэтому,  в  случае  колебания  нагрузки  наблюдается  значительный  разброс  размеров  получаемых  гранул. 

Для  решения  вопроса  повышения  степени  монодисперсности  получаемых  гранул  в  условиях  изменения  нагрузки,  предложен  способ  адаптивного  управления  частотой  вынуждающих  колебаний  [2],  а  в  качестве  вибратора  разработаны  устройства  позволяющие  изменять  частоту  собственных  колебаний  пропорционально  изменению  скорости  истечения  расплава  [3,  4]. 

Известно,  что  при  поперечном  обтекании  цилиндра  плоской  затопленной  струёй  жидкости  за  цилиндром  происходит  отрыв  вихрей,  вследствие  чего  возникают  звуковые  волны.  Поэтому,  если  в  качестве  цилиндра  использовать  струну  —  упругую  металлическую  нить,  она  под  воздействием  отрывающихся  вихрей  также  начнёт  колебаться.  На  этом  принципе  основаны  явления  гудения  телеграфных  проводов,  “эоловой  арфы”,  свиста  ветра  в  парусных  снастях  и  т.п.  Явление  устойчиво  наблюдается  в  диапазоне  Re  =  60  ÷  5000.  При  этом  безразмерная  частота  отрыва  вихрей  (число  Струхаля)  определяется  как: 

  S  =  f₂  d  /w  ,  (3) 

где:  f₂  —  частота  отрыва  вихрей  в  Гц; 

d   —  диаметр  цилиндра  в  м; 

w   —  скорость  набегающей  затопленной  струи  в  м/сек.  Отсюда: 

  f₂  =  wS/d  (4)

В  диапазоне  Re  ≈  1000  ÷  5000  число  Струхаля  практически  постоянно  и  равно  0,21.  Устойчивый  звук  достигается  при  совпадении  частоты  отрыва  вихрей  f₂  с  частотой  f₃  собственных  колебаний  струны,  которая  определяется  соотношением:

  f₃  =  1/ld_c  ,  Гц  ,  (5)

где:  l  —  длина  в  м; 

d _c  —  диаметр  струны  в  м; 

ρ_с   —  плотность  материала  струны  в  кг/м³; 

T   —  сила  натяжения  струны  в  Н.

Из  (5)  следует,  что,  меняя  натяжение,  можно  изменять  частоту  собственных  колебаний  одной  и  той  же  струны.  Это  свойство  струны  используется  в  адаптивном  вибраторе  [4],  который  показан  на  рис.  1. 

В  торце  входного  патрубка  гранулятора  размещается  подвижный  поршень  со  встроенным  соплом  —  4.  Струна  —  1  фиксированных  размеров  расположена  под  соплом  и  связана  с  поршнем  с  помощью  системы  рычагов  —  2.  Струна  будет  натягиваться  усилием,  в  случае  изменения  напора,  создаваемого  весом  столба  жидкости  над  поршнем. 

Сила  натяжения  струны  в  этом  случае  будет  равна 

  Т  =  kρgНF_п  ,  Н,  (6) 

где:  k  —  соотношение  плеч  рычагов; 

F _п  —  площадь  входного  патрубка  в  м²; 

ρ  —  плотность  диспергируемой  жидкости  в  кг/м³; 

Н   —  напор,  высота  столба  жидкости  над  соплом.  Напор  Н  прямо  пропорционален  квадрату  скорости  жидкости  на  входе  в  сопло.  Следовательно,  согласно  (5)  и  (6),  частота  собственных  колебаний  струны  f₃  в  этом  случае  будет  прямо  пропорциональна  скорости  жидкости  на  входе  в  сопло,  т.  е.  нагрузке. 

Рисунок  1.  Адаптивный  вибратор  гранулятора:  1  —  струна;  2  —  система  рычагов;  3  —  патрубок;  4  —  подвижное  сопло  с  поршнем;  5  —  патрубок  входа  жидкости

Таким  образом,  все  три  частоты,  определяемые  уравнениями  (1,  4,  5)  —  частота  образования  капель  (1),  частота  отрыва  вихрей  (4)  и  частота  собственных  колебаний  струны  (5)  будут  согласованно  изменяться  прямо  пропорционально  изменению  нагрузки.  Частота  вынуждающих  колебаний  самонастраивается  и  будет  автоматически  поддерживаться  вблизи  резонансной  частоты. 

Достоинством  такого  типа  вибраторов  по  сравнению  с  электромагнитными  устройствами  является  отсутствие  необходимости  в  датчиках  расхода  жидкости  и  приводных  устройствах  для  изменения  частоты  вынуждающих  колебаний.  Кроме  того,  при  такой  конструкции  вибратора  на  вибрирующий  элемент  передаётся  только  изменение  усилий,  а  перемещения  практически  отсутствуют.  Это  немаловажно  при  работе  в  среде  легко  кристаллизующихся  жидкостей,  каковыми  являются,  например,  расплавы  азотных  удобрений. 

Экспериментальная  проверка  акустического  виброгранулятора  с  образцом  адаптивного  вибратора  на  воде  и  модельной  жидкости  подтвердила  возможность  изменения  частот  вынуждающих  колебаний  пропорционально  изменению  нагрузок  по  жидкости  в  широком  диапазоне,  а  также  показала  возможность  длительной  непрерывной  работы  вибратора  при  двукратном  превышении  расчётного  напора  жидкости. 

Следует  отметить  также,  что  предложенный  способ  [2]  может  быть  применим  не  только  к  вибраторам  в  виде  струны,  но  и  к  другим  конструктивным  исполнениям  вибраторов,  в  частности,  выполненным  в  виде  пластины  (язычковый  резонатор)  [3].  Такие  вибраторы  широко  применяются  в  грануляторах  при  промышленном  производстве  аммиачной  селитры  (Рис.  2).

Рисунок  2.  Гранулятор  с  адаптивным  язычковым  вибратором

Гранулятор  работает  следующим  образом.  Поток  диспергируемой  жидкости,  поступающий  во  входной  вертикальный  патрубок  2,  попадает  сквозь  сопло  4  внутрь  корпуса  1  разбрызгивателя  и  вытекает  через  отверстия  в  перфорированном  днище  3.  Часть  потока  разделяется  по  отводам  6  и  воздействует  на  поршни  7  с  давлением,  которое  соответствует  текущему  расходу.  При  этом  усилие  от  напора  с  помощью  пружинных  механизмов  8  заставляет  поршни  7  передвигаться  на  определенное  расстояние,  приводя  в  движение  каретку.  Криволинейная  поверхность  15  направляющего  профиля  14  имеет  форму  траектории,  описывающей  закон  изменения  частоты  собственных  колебаний  упругого  элемента  5  от  изменения  расхода,  входящей  в  резонанс  с  частотой  распада  струй.  Благодаря  этому  каретка  роликами  13  передвигается  по  направляющему  профилю  14,  одновременно  перемещаясь  роликами  11  по  поршням  7  и  роликами  12  по  упругому  элементу  5,  пережимая  последний  в  нужном  месте,  обеспечивая  необходимое  изменение  его  активной  длины,  от  которой  зависит  его  частота  собственных  колебаний.

Таким  образом,  решение  задачи  адаптивного  управления  параметрами  акустического  воздействия  при  диспергировании  жидкого  расплава  для  получения  гранул  высокой  степени  монодисперсности  достигается  тем,  что  в  источники  акустических  колебаний:  струна  (Рис.  1)  или  пластина  (Рис.  2)  изменяют  свои  частотные  характеристики,  автоматически  настраиваясь  на  резонансную  частоту.  Это  происходит  вслед  за  изменением  режима  работы  установки  и  связанного  с  ним  изменением  расхода  расплава. 

Список  литературы:

1.Колчков  В.И.,  Рустамбеков  М.К.  Диспергаторы  жидкостей  с  адаптивными  вибраторами.  Химическое  и  нефтегазовое  машиностроение.  —  2010.  —  №  7.  —  С.  11—12.

2.Колчков  В.И.,  Рустамбеков  М.К.,  Глазов  Р.В.,  Заваров  В.А.  «Способ  диспергирования  жидкостей».  Патент  РФ  RU  2  361  655  C1.  Опубликовано:  20.07.2009.  Бюл.  №  20. 

3.Колчков  В.И.,  Глазов  Р.В.,  Рустамбеков  М.К.,  Заваров  В.А.  «Акустический  разбрызгиватель».  Патент  РФ  RU  2  410  151  C1.  Опубликовано:  27.01.2011.  Бюл.  №  3.

4.Рустамбеков  М.К.,  Колчков  В.И.,  Глазов  Р.В.,  Заваров  В.А.  «Диспергатор  жидких  продуктов».  Патент  РФ  RU  2  361  654  C1.  Опубликовано:  20.07.2009.  Бюл.  №  20. 

5.Рэлей.  Теория  звука,  т.  2.  М.:  Гос.  изд.  техн.-теор.  лит-ры,  1955.

6.Технология  аммиачной  селитры.  Под  ред.  В.М.  Олевского.  М.:  Химия,  1978.