Гідродинаміка енергоощадного процесу утворення крапель води

Національний університет "Львівська політехніка"

Вармінсько-Мазурський університет в м. Ольштин (Польща)

Національний авіаційний університет

Гідродинаміка енергоощадного процесу утворення крапель води

В.В. Скіра, канд.техн.наук;

І.Л. Тимофєєв, канд.техн.наук, доц.;

А.Д. Молчанов, д-р.техн.наук, проф.;

А. Вишневська, інж.;

І.А. Карпінська, канд.техн.наук, ст.викл.

Вступ

"Крапля-геніальний винахід природи" [1], який широко використовується людиною в техніці: авіації, енергетиці, виробництві хімічної і харчової продукції, охороні навколишнього середовища (очистка води, аерація ставків та ін.).

Протягом багатьох останніх років домінувала тенденція інтенсифікації тепло- і масообмінних процесів у системі рідина-газ шляхом одержання якомога менших крапель без урахування витрати ресурсів.

Найпростішими розпилювачами можуть бути форсунки з вихідними отворами діаметром 0,5-2,5 мм, які при тисках 0,3-1 МПа і швидкостях витікання рідини 25-40 м/c забезпечують утворення крапель діаметрами 0,2-0,5 мм [2]. Використання великих тисків обумовлює і великі витрати електроенергії приводів насосів.

Мета роботи

Мета - експериментальне дослідження гідродинамічних характеристик крупних крапель води (діаметра і швидкості падіння), які утворюються при її витіканні з отворів діаметрами 2-6 мм, найбільш поширених в практиці, під мінімальними тисками 0,02-0,05 МПа (200-500 мм вод. ст.).

Абсорбери з розбризкувачами у вигляді циліндричної ємності з перфорованим днищем у вищезгаданих умовах забезпечили економічний ефект близько 65 тис. дол. США на Плугівському водозаборі м. Львова [3].

Методики досліджень

Коротко можна характеризувати краплю як частину рідини, яка в стані рівноваги має поверхню обертання, котра під дією сили поверхневого натягу набуває форми, близької до кулі [1]. У різних гідродинамічних умовах руху краплі можуть деформуватися і набирати форми еліпсоїда, кільця, парашута тощо [1]. Критерієм деформації є число Вебера, яке характеризує відношення інерційних сил до сил поверхневого натягу:

,(1)

де - швидкість потоку газу (в умовах падіння крапель в повітрі ), м/с;

- швидкість падіння крапель, м/с;

- густина газу, кг/м³; - діаметр краплі, м;

- поверхневий натяг, Н/m.

Якщо <10, крапля має форму, наближену до сфери, і залишається цілою; при =10 відбувається розпадання краплі на 2 частини, а при >10 - на декілька частин [1].

Відомо [4], що вертикальна струмина, яка витікає з отвору діаметром d₀, в днищі розбризкувача має дві частини: компактну висотою та роздрібнену у вигляді крапель діаметром . Руйнування струмини відбувається під дією сил опору повітря, турбулентності та поверхневого натягу [4]. При цьому струмина розпадається на ряд відрізків діаметром , які під дією сил поверхневого натягу перетворюються на краплі. Відомості про залежність діаметра краплі від діаметра отвору при малих тисках відсутні. Тому виникла необхідність експериментального визначення такої залежності та швидкості падіння крапель для визначення часу масообміну або реакції. Діаметри крапель визначають поверхню контакту їх з повітрям, разом зі швидкостями падіння крапель вони визначають і кінетику масообміну і хімічних реакцій з лімітуючою стадією дифузії реагентів в краплях.

Експерименти з визначення залежності діаметра краплі від діаметра отвору для практично використовуваних мм виконано шляхом виливання певного об'єму води з певної висоти та визначення кількості крапель на довжині Н фотографуванням на темному фоні з імпульсним освітленням при експозиції 1:400 с [1]. Секундоміром з точністю 0,5 с визначалися час падіння краплі t з висоти Н та час T виливання об'єму води .

Очевидно, що загальна кількість крапель n більше від їх кількості n_k на довжині Н:

(2)

Об'єм однієї краплі

,

звідки

Підставивши це значення n в рівняння (2), визначимо об'єм однієї краплі:

(3)

Середній діаметр краплі обчислювали з її об'єму у формі сфери.

Такий спрощений підхід базується на нижченаведених експериментальних результатах. Краплі, які утворюються при витіканні води з отворів мм, мають середній діаметр = 5,3 мм і швидкість падіння =6 м/с (рис.2). Тоді число We для води (H/м) складає

(4)

Таким чином, можна взяти форму краплі сферичною.

У результаті експериментів згідно з вищенаведеною методикою одержано такі результати (середні для трьох вимірювань):

Залежність від виявилася лінійною (рис.1): при мм.

Оскільки діаметри крапель слабо залежать від діаметрів отворів, то практично недоцільно виготовляти розбризкувачі з діаметром отворів менше 6 мм з таких причин

- вартість розбризкування зростає із зменшенням діаметрів отворів;

- зростає вірогідність заростання малих отворів осадами, внаслідок чого зменшуються надійність та ефективність роботи.

Рисунок 1 - Залежність від

Рисунок 2 - Залежність від при висоті падіння 20 м

Залежність середньої швидкості від (рис.2) також можна взяти лінійною: при мм. Рекомендують таку залежність для розрахунку діаметра крапель при розпилюванні цукрових розчинів струминними форсунками під тиском 0,3-0,5 МПа [5,6]:

,(5)

де і - густина газу та рідини, кг/м³;

і - коефіцієнти кінематичної в'язкості газу та рідини, м²/c;

- число Лапласа, яке характеризує відношення сил поверхневого натягу та в'язкості. В наших умовах для води відношення

та постійні і рівняння спрощується:

.(6)

Обробка вищенаведених експериментальних даних (рис.3) дала криву лінію при ; для мм. Це відрізняється від даних рівняння (5) для крапель діаметрами 200 - 400 мкм і може бути пояснене суттєвими відмінностями гідродинамічних умов утворення краплин.

Залежність від (рис. 3. б) виявилася лінійною:

при мм

а)

б)

Рисунок 3 - Залежності (a) (b) для крапель води

Висновки

Існуючі методи одержання дрібних крапель для інтенсифікації дифузійних процесів тепло-, масообміну і хімічних перетворень характеризуються використанням тисків 0,3-1 МПа і великих витрат електроенергії.

Для пошуку методів зменшення витрат електроенергії експериментально вивчена гідродинаміка процесу утворення великих крапель води при витіканні з отворів діаметром 2-6 мм під мінімальними тисками 0,02-0,05 МПа.

Визначено діаметри крапель, швидкості їх падіння та час перебування в повітрі. Експериментальні результати узагальнено у вигляді критеріальних рівнянь, які дозволяють розраховувати середні діаметри крапель і швидкості їх падіння в повітрі при витіканні з отворів діаметром 2-6 мм. Ці результати необхідні для визначення чисел і (- коефіцієнт масовіддачі, м/с; - коефіцієнт дифузії, м²/c), які визначають кінетику масообміну.

SUMMARY

Existing technics for obtaining fine droplets of liquid used to intensify heat and mass transfer diffusion processes and chemical transformations are characterized by high electric energy consumption for atomization. Application of large droplets flowing out of 2 to 6 mm dia. branches under a pressure of 0.02 to 0.05 MPa can be one of the ways to energy saving. Given experimental studies of energy saving water droplets formation process under the conditions described here above resulted in description of mass transfer kinetics.

CПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Волынский М.С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли.- М.: Знание, 1986.-144 с.

2. Левицки П. Процессная инженерия и аппаратура пищевых производств-Варшава, изд. научно-техническое, 1999.- 468 с.

3. Карпінська І.А. Ресурсоощадні процеси кондиціювання води абсорбцією, десорбцією і окисленням домішок: Автореф. канд. дис.-Київ: НТТУ "Київський політехнічний інститут", 2001.- 18 с.

4. Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка.- Львів: Вид-во "Світ", - 1994.- 264 с.

5. Федоткин И.М. Физико-математические основы интенсификации процессов пищевой и химической технологии. - Кишинев: Изд-во "Штиинца", 1987.- 263 с.

6. Федоткин И.М., Жарик Б.Н., Погоржельский Б.И. Интенсификация технологических процессов пищевых производств.- Київ: Техніка, 1984. - 176 с.