Научные основы современных технологий распыливания воды в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Научные основы современных технологий распыливания воды в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Сафиуллин Ринат Габдуллович

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Посохин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Прохоров Виталий Иванович

доктор технических наук, профессор Полосин Иван Иванович

доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

Ведущее предприятие: ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений - ЦНИИПромзданий»

Защита состоится « » 2010 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, ауд. __.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «____» __________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.А.

монодисперсный распыливание каплеобразование

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 2ч4 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 500ч1000 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 100ч200 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведения исследований по теме диссертационной работы, сформулирована цель и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен аналитический обзор работ, посвященных основным закономерностям тепломассообмена между каплями жидкости (воды) и газом (воздухом), а также вопросам испарения капель воды в воздушном потоке. Цель обзора - выявление необходимых размеров капель для различных процессов обработки воздуха, включая доувлажнение воздуха в помещениях, а также очистку отходящих дымовых и агрессивных газов.

Показано, что для осушки с охлаждением воздуха белее предпочтительны капли диаметром 5001000 мкм, для его увлажнения - 1530 мкм, для очистки дымовых газов от мелкодисперсных аэрозолей - 50100 мкм. При этом состав капель в объеме аппаратов должен быть максимально однородным по размерам (монодисперсным) и равномерным по сечению контактной зоны. Данные о предпочтительных диаметрах капель и о фактической дисперсности распылов определяют современный инженерный подход при выборе типа распыливающего устройства и конструкции контактных аппаратов для эффективного проведения указанных процессов.

Приводится анализ литературных и патентных источников, касающийся перспектив использования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха известных конструкций распылителей (вибрационных, акустических и ультразвуковых устройств, вращающихся дисков и перфорированных распылителей), способных создавать объемный равномерный факел распыла монодисперсной структуры. Анализ выполнен на основе рассмотрения особенностей механизма каплеобразования и затрат энергии на осуществление способа распыливания.

Наиболее перспективным (с точки зрения тонкости и монодисперсности распыла, большой производительности и минимальных энергозатрат) является способ распыливания статическими и вращающимися распылителями, у которых формирование капель осуществляется на множестве каплеобразующих элементов, объединенных в развитую распыливающую поверхность. Такой способ реализуется, в частности, пористыми вращающимися распылителями (ПВР) в режиме, именуемом «каплеобразование на зерне».

Наступление режима каплеобразования на зерне ПВР определяется строгим соотношением между расходом жидкости и скоростью вращения распылителя, геометрией зерен и пор, а также структурными и геометрическими характеристиками материала пористой оболочки. При этом распределение капель по размерам в факеле распыла соответствует распределению по размерам зерен на распыливающей поверхности ПВР. Стабильное формирование капель на одноразмерных зернах поверхности ПВР и определяет практически монодисперсный состав капель в факеле в капельном режиме работы распылителя.

Анализ работ по исследованию закономерностей каплеобразования на зернах ПВР показал, что известные расчетные зависимости не позволяют однозначно характеризовать дисперсность распыла во взаимосвязи с указанными выше параметрами. Это объясняется малоизученностью механизма отрыва капель с зерен ПВР, отсутствием физически и математически обоснованной модели процесса.

Эффективным способом исследования монодисперсного режима и прогнозирования диспергирующей способности ПВР является создание математической модели каплеобразования с последующим широкомасштабным вычислительным экспериментом. Известен целый ряд работ, использующих современные методы численного моделирования задач со свободными межфазными границами для исследования закономерностей капле- и струеобразования из отверстий или микросопел. Однако работы по моделированию каплеобразования на смачиваемых твердых элементах на сегодняшний день отсутствуют.

Также отмечается, что конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР должны соответствовать современным требованиям по энергоэффективности. Если потребление энергии на водяном тракте определяется, в конечном счете, конструктивным исполнением распылителя и характеристиками факела распыла, то для воздушного тракта аппарата важно его аэродинамическое совершенство. В частности заметная доля потерь давления имеет место на входе в аппарат, который часто оформляется в виде раструба. При всасывании воздуха во входных участках, там, где твердые границы обуславливают физически невозможную кривизну линий тока, формируются зоны вихреобразований (отрывные зоны). Чем больше размеры отрывных зон, тем больше потери давления в воздушном тракте распылительного аппарата. Профилирование входных участков по очертаниям свободных линий тока, ограничивающим отрывные зоны, позволит исключить местные потери давления, уменьшить энергоемкость аппарата и уровень шума, создаваемого им.

На основе выполненного анализа, в заключении, формулируются задачи исследований.

Во второй главе изложены результаты численного моделирования каплеобразования на твердых смачиваемых элементах в поле силы тяжести, выполненные с использованием пакетов CFD программ для анализа течений жидкости. Исследование такой модели позволяет выявить закономерности формирования и отрыва капель при работе статических каплеобразующих устройств. Постановка задачи: капля жидкости формируется на вертикальных каплеобразователях в виде сферы, конуса и цилиндра (моделях зерен ПВР) в поле силы тяжести. Подпитка жидкостью осуществляется через кольцевой канал а между каплеобразователем и насадкой с ножевыми кромками (рис.1, а). Рассматривается область течения несжимаемой вязкой жидкости, смачивающей поверхность каплеобразующего элемента (рис. 1, б). При малых изменениях температуры физические свойства системы «воздух-жидкость-твердый элемент» приняты постоянными, кроме поверхностного натяжения жидкости, которое линейно зависит от температуры. Вектор ускорения силы тяжести направлен вниз по оси z.

Рис. 1 Геометрические параметры рассмотренных каплеобразующих элементов (а); схема расчетной области течения жидкости (б)

Математическая модель исследуемого процесса каплеобразования в цилиндрических координатах (r, z) строится на системе уравнений сохранения:

- уравнение неразрывности

, (1)

- уравнения движения Навье - Стокса

, (2)

, (3)

где u, v - радиальная и осевая компоненты поля скорости U; t - время; p - давление; g - ускорение силы тяжести; _rr, _rz, _zz - компоненты тензора напряжений :



, , . (4)

Для замыкания краевой задачи уравнения (1)(4) должны быть дополнены соответствующими начальными и граничными условиями, а также кинематическими и динамическими условиями на границе раздела фаз «жидкость - воздух». Требуемые условия сформулированы в следующем виде.

В начальный момент времени жидкость неподвижна, положение ее нижней границы в питающем канале соответствует уровню CD. Температура и давление p постоянны во всей области течения.

На поверхностях насадка BC и каплеобразующего элемента АHG имеем условие прилипания и непроницаемости

. (5)

На оси симметрии GF (при r = 0)

, . (6)

На верхней границе кольцевого канала АВ принимаем условие постоянства скорости подпитки v_o

. (7)

На нижней границе расчетной области FE предусматривается отсутствие изменений течения в осевом направлении



. (8)

На границе расчетной области CDE отсутствуют изменения в радиальном направлении

. (9)

Для отслеживания свободной поверхности используется специальная процедура, известная как метод объема жидкости - VOF метод. Суть его заключается в том, что для областей вблизи межфазной границы «жидкость - воздух» в уравнения движения вводится функция F, характеризующая долю содержания в ней жидкости. Так F = 1 в области, полностью заполненной жидкостью, и F = 0 в области, заполненной воздухом. Если ячейка содержит межфазовую границу, то для F определяется промежуточное значение 0 < F < 1 способом линейной аппроксимации значений в соседних ячейках области. Поле функции F меняется при движении аналогично полю скорости жидкости, так что справедливо уравнение переноса:

. (10)

Уравнение (10) выражает кинематическое условие на границе раздела фаз «жидкость - воздух».

Динамическое условие на свободной поверхности, отражающее силовое взаимодействие фаз, определяется скачком физических свойств и действием силы поверхностного натяжения . Выражение для в рамках VOF метода имеет вид



, (11)

где означает операцию градиента; - единичный вектор нормали к свободной поверхности, направленный внутрь жидкости; k - кривизна свободной поверхности, выражаемая через главные радиусы кривизны R₁ и R₂ в виде

. (12)

В цилиндрической системе координат главные радиусы кривизны в любой точке свободной поверхности капли определяются соотношениями

, . (13)

Уравнение неразрывности (1) справедливо для всей расчетной области, а также на межфазовой границе. Динамическое условие (11) для поверхности раздела включается в уравнения Навье-Стокса:

, (14)

. (15)

Уравнения (1)(15) формулируют краевую задачу о течении жидкости на смачиваемом элементе с образованием капель в поле силы тяжести.

На рис. 2 представлены результаты расчетов отрывных объемов капель воды (), отделяющихся от сфер с безразмерным радиусом = 0.989;1.465;2.619 () и конусов с углом =15; 30 и 45, а также цилиндров радиусом = 0.916;1.282;1.648 и 2.197 при различных значениях расхода жидкости (). Там же приведены данные физических экспериментов, полученные на опытной установке по формированию и улавливанию капель воды в иммерсионной среде.

На рис.3 приведено сравнение смоделированного процесса с натурными экспериментами по каплеобразованию на сферических, конических и цилиндрических насадках. Качественная картина, полученная при численном моделировании, практически полностью совпадает с приведенной на фотоснимках, включая последовательность образования за основной каплей так называемых капель-спутников.

Рис. 2 Зависимость отрывных объемов основных капель от расхода при каплеобразовании на сферах (а), конусах (б) и цилиндрах (в)

Рис. 3 Фотоснимки и численные модели отрыва капель от сферы 16 мм и цилиндра 5 мм



Рис. 4 иллюстрирует типичные расчетные профили, наблюдаемые при каплеобразовании на «нити» - тонком цилиндре радиусом <0.5. Из рисунка видно, что капля формируется до предотрывного объема не на нити, а непосредственно на срезе насадка. В ходе отрыва «основная» капля свободно падает вниз, смачивая поверхность нити по всей ее длине. От распада перешейка на нити остаются капли-спутники, удерживаемые на ней силами поверхностного натяжения до тех пор, пока следующая «основная» капля не поглотит их при своем падении.

Рис.4 Фотоснимок и компьютерная модель отрыва капли от насадка 6 мм с аксиальной нитью 0.4 мм (= -6.3).

Выявленные закономерности каплеобразования на нитях дали возможность предложить способ распыливания жидкостей без образования капель-спутников. Возможности этого способа рассмотрены в главе 6. Там же приводится описание экспресс-метода для определения поверхностного натяжения жидкостей, который разработан на основе наблюдений за формированием капель на конусах с углом раствора до <15.

Приведение уравнения (15) к безразмерному виду путем введения характерной длины r = a (см. рис. 1, а), скорости v = v_o и времени t = a/v_о

. (16)

показывает, что процесс каплеобразования определяется тремя критериями - Рейнольдса , Фруда и Вебера , характеризующими, соответственно, относительный вклад в динамику движения сил вязкого трения, силы тяжести и силы поверхностного натяжения жидкости. Наибольшее влияние на процесс отрыва, а соответственно, и на размер капель, оказывает число Вебера (We). Его критическое значение на границе между капельным истечением и струеообразованием в опытах составило . Можно считать, что при идет гарантированный режим каплеообразования при формировании капель на рассмотренных смачиваемых элементах в поле силы тяжести.

Третья глава посвящена разработке и математическому описанию динамической модели каплеобразования на гранулах ПВР в поле центробежной силы, учитывающей структурные характеристики материала ПВР, а также интенсивность течения жидкости через его распыливающую поверхность.

Идеализация схемы расположения гранул на поверхности ПВР подразумевала, что (рис. 5):

Рис. 5 Схема ПВР (а) и капли на зерне (б)

а) все гранулы являются осесимметричными телами одинакового радиуса , расположенными на цилиндрической поверхности радиуса так, что отношение площадей пустот (питающих пор) и площадей сечений гранул равно коэффициенту пористости материала ПВР;

б) реальное расположение пустот (пор) на поверхности ПВР заменено кольцами вокруг гранул.

Средняя скорость жидкости, питающей каплю через пору, была определена на основе законов линейной фильтрации:

. (17)

Общий расход жидкости через ПВР длиной l в режиме каплеобразования -

.

Отмечено, что уравнение (17) выполняется при следующем соотношении параметров процесса фильтрации:

Р₁^.Р₂^.Р₃^.21, (18)

где величины , и характеризуют, соответственно, пористую структуру ПВР, геометрию распылителя и свойства жидкости. Коэффициент учитывает характер взаимодействия зерен материала распылителя и жидкости (смачивание - несмачивание). Таким образом, уравнение (18) может служить основой для выбора параметров работы ПВР, при которых может быть достигнут режим каплеобразования на зерне.

Затем формулируется краевая задача для потенциала скорости течения Ф в осесимметричном объеме капли , ограниченном поверхностью зерна ₁, поверхностью кольцевой питающей поры _о и межфазовой поверхностью Г на границе "жидкость-газ"(рис. 5, б). Полагается, что в области реализуется безвихревое течение идеальной жидкости, описываемое уравнением Лапласа

. (19)

При формулировании краевой задачи для Ф были введены следующие характерные величины: длина ; скорость ; потенциал ; время ; кривизна криволинейной поверхности ; величина и обозначены безразмерные переменные , и т.д. Для этих переменных полная система уравнений, определяющих математическую модель каплеобразования на грануле ПВР, записывается в следующем виде.

Уравнение (19) в безразмерных переменных сохраняет свой вид:

. (20)

Граничные условия на неизменной части области (рис. 5, б):

на поверхности ₁ ; (21)

на поверхности _о , (22)

где n - внутренняя нормаль.

На свободной поверхности капли Г:

- кинематическое условие совместного движения частиц жидкой и газовой фаз на общей поверхности



, (23)

где N - смещение Г по внешней нормали m;

динамическое условие, отражающее силовое взаимодействие фаз и устанавливающее связь между потенциалом и капиллярным давлением (уравнение Лагранжа-Коши)

, (24)

где ; , - критерий Вебера; - произвольная функция безразмерного времени.

Одна из трудностей, встречающихся при решении задач со свободными границами - движение во времени неизвестной поверхности, условие для нахождения которой содержит частные производные по времени от характеристик, определяющих это решение. Такая трудность имеется и в задаче о каплеобразовании в поле центробежной силы, дополненная еще нелинейностью в краевом условии на границе Г - формула (24).

Рис. 6 К определению изменений границы Г капли

Процедура определения положения поверхности Г и функции Ф в любой момент времени предлагается в следующем виде (черта над безразмерными величинами опущена).

Пусть для двух близких моментов времени t = 0 и t = имеем области ₀ и , а также известна функция Ф(r,z,0) в области ₀. Обозначим пересечение областей ?₁=₀ (рис. 6), и в этой подобласти рассмотрим функцию Ф(r,z,t). За время изменение функции Ф(r,z,t) можно представить приближенно (с точностью до малых второго порядка) как

. (25)

Так как значения функции Ф₀ в подобласти ?₁ известны, то для нахождения в ней значений Ф(r,z,t) достаточно определить функцию Ф₁, являющуюся приращением Ф₀ за время . После этого необходимо установить значения функций Ф(r,z,t) на границе Г₀ области ₀, определить смещения N для границы Г₀ и снести значения Ф(r,z,t) по нормали m на новую границу Г области . Снос может быть выполнен по формуле:

. (26)

Воспользуемся приемом линеаризации (25) при малых и распишем уравнение (24) для Ф(r,z,t) в подобласти ?₁:

. (27)

где p - изменение давления, вызываемое изменением кривизны в точке деформируемой поверхности.

Выделим в уравнении (27) постоянные во времени слагаемые



; (28)

они определены как в подобласти ?₁, так и во всей области ₀. Переходя в уравнении (28) к точкам границы Г₀ и, учитывая, что здесь перепад давлений равен капиллярному давлению р₀ =2k, имеем следующее динамическое условие для свободной границы:

, (29)

Тогда для функции Ф₁ можно сформулировать краевую задачу в области ₀:

(30)

Таким образом, определение функции Ф₁, а вместе с ней и функции Ф(r,z,t), сводится к решению уравнения Лапласа со смешанными граничными условиями, когда на границах ₀ и ₁ заданы значения нормальной производной, на свободной поверхности задано краевое условие третьего рода (29).

Переменные слагаемые в уравнении (27) характеризуют изменение во времени свободной границы Г от области ₀ до :



, (31)

где связь между изменением давления p с изменением кривизны поверхности при ее смещении N может быть выражена модифицированной формулой В. Бляшке

. (32)

Здесь ; Еu - критерий Эйлера; s - дуговая координата точки на межфазовой поверхности Г.

Совместное решение уравнений (31) и (32) позволяет определить смещение N как функцию дуговой абсциссы s на недеформированной поверхности Г₀ и определить координаты точек новой поверхности Г₁ по следующим выражениям

. (33)

Для контроля скорости передвижения dN/dt поверхности капли используется интегральное условие: отклонения кривой Г должны быть такими, чтобы увеличение объема области за принятый промежуток времени было равно втекающему через пору ₀ объему жидкости:

, (34)



где d и dg - элементы поверхностей ₀ и Г.

С использованием описанной методики определения последовательных изменений межфазовой границы капли во времени построен алгоритм численного решения задачи (20)(34). На основе полученного алгоритма разработана программа «DropCalc» для определения объемов отрывающихся капель в зависимости от геометрических, структурных и режимных параметров ПВР. Программа позволяет визуализовать на экране ЭВМ динамику роста и отрыва капель с поверхности зерен ПВР в капельном режиме распыления.

В заключение главы приводятся результаты численного расчета отрывных объемов капель в зависимости от величины критериев Е₁ и We, характеризующих, соответственно, относительный вклад в динамику каплеобразования центробежной силы и силы поверхностного натяжения жидкости (рис. 7, а). На рис. 7, б показаны примеры рассчитанных профилей капель, формирующихся на конических зернах ПВР с различными углами при вершине.

Рис. 7 Зависимость отрывных объемов капель от критериев Е₁ и We (а) и рассчитанные профили капель, формирующихся на конических зернах ПВР (б)

Расчеты показывают, что отрывные объемы капель увеличиваются с ростом и уменьшаются при возрастании скорости вращения распылителя . Увеличение размеров гранул ПВР d_з и поверхностной пористости материала por приводит к увеличению размеров капель. Отклонение рассчитанных отрывных объемов от экспериментальных значений, полученных в исследованиях разных авторов, не превышает 18%. Это свидетельствует о справедливости предлагаемой математической модели каплеобразования на зернах наружной поверхности ПВР.

Основной результат данного этапа работы - создан инструмент для расчета дисперсных характеристик ПВР, которые могут эффективно использоваться в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Также получены данные о диапазоне изменения основных параметров работы распылителей, в частности, зависимость для определения требуемой скорости вращения для достижения монодисперсного режима каплеобразования.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментов по определению дисперсных характеристик распылов ПВР, выполненных из пористых материалов различной структуры и крупности зерна.

Исследование работы ПВР из крупнозернистого абразивного материала (с размером основной фракции зерен 250 и 400 мкм) в режиме «каплеобразования на зерне» проводилось на экспериментальном стенде, позволявшем выполнять фотографирование капель в потоке с выдержкой 110^-6 секунды (рис. 8).

Рис.8 Схема экспериментальной установки для исследования ПВР из крупнозернистого абразива: 1 - распылитель; 2 - электродвигатель; 3 - камера орошения; 4 - выпрямитель; 5 - тахометр; 6 - питающая емкость; 7 - компрессор; 8 - регуляторы расхода воды; 9 - ротаметры; 10 - манометр; 11 - приемная емкость; 12 - насос; 13 - фотоаппарат; 14 - координатник; 15 - прорези для работы с фотоаппаратом; 16 - импульсная лампа - вспышка; 17 - отражатель; 18 - блок регулирования вспышки

Анализ фракционного состава полученных распылов показал, что средние (по Заутеру) диаметры капель близки к значениям, определенным расчетным путем с использованием рассмотренной модели каплеобразования. Было подтверждено, что тонкость распыла зависит от размеров зерен ПВР и скорости его вращения. При окружных скоростях v > 20 м/с ПВР из электрокорунда зернистостью 25П и 40П (с размерами основной фракции зерен d_з=250 и 400 мкм, соответственно) позволяют получать объемный факел распыла с практически монодисперсными каплями диаметром 100200 мкм.

Согласно результатам, полученным при численном моделировании каплеобразования на округлых зернах, ПВР на основе абразивных микропорошков зернистостью d_з=10ч20 мкм способны формировать микрокапли размером менее 20ч50 мкм. Именно таким средним размером капель характеризуются распыл у пневматических и гидравлических форсунок высокого давления, традиционно используемых в камерах орошения при увлажнении воздуха. Отсутствие данных о качестве распылов у ПВР из абразивов с малым номером зернистости, а также у распылителей из других пористых материалов, определило необходимость выполнения дополнительных экспериментальных исследований.

Экспериментальный стенд для исследования дисперсных характеристик ПВР для тонкого распыливания воды показан на рис. 9. Он включал в себя электропривод 1 с пятью фиксированными значениями оборотов вала. Распылитель 3 жестко устанавливался на подложку (рис. 9, б), крепился на валу двигателя 1 с помощью цанги 2.



Рис. 9 Схема установки для исследования дисперсных характеристик ПВР тонкого распыления (а), конструкция подложки ПВР (б) и пробоотборного устройства (в)

Вода подавалась в распылитель 3 из питающей мерной емкости 4 объемом 100 мл. Расход воды в экспериментах изменялся от 0.5 до 2.8 л/ч. Регулирование расхода осуществлялось вентилем 5. Распыленная вода через приемный бункер 6 направлялась в сборную емкость 7.

Выборка требуемой совокупности капель для регистрации их дисперсного состава выполнялась с помощью отборного устройства 8 через окно 9. Время экспозиции потока капель через отборное окно устанавливалось с помощью ирисовой диафрагмы 10. Капли воды улавливались в кювету 11 с иммерсионной средой, имеющей такую же плотность, как и вода. Здесь капли приобретали сферическую форму и фотографировались в проходящем свете с помощью веб-камеры 12 с разрешением 800600, установленной на окуляре микроскопа 13 (БСМ-1). Изображение от камеры 12 в режиме реального времени передавалось напрямую через USB-вход компьютера, и далее - на экран монитора.

Эксперименты проводились с ПВР на основе серийно выпускаемых абразивных изделий типа ЧЦ (чаши цилиндрические) и ПП (прямого профиля) из электрокорунда белого (Al₂O₃) марки 24А с размером основной фракции зерна 710 и 1420 мкм, что соответствует марке зернистости М10 и М20, соответственно. Также исследовались характеристики распыла у образцов ПВР на основе пористой фильтрующей керамики (ПФК) и войлока, а также у комплексных конструкций, состоящих из нескольких слоев пористых материалов сеточной и волоконной структуры.

Дисперсные характеристики опытных образцов ПВР марки М10 наружным диаметром 19 и 16 мм показаны на рис.10 в виде гистограмм распределения капель в распыле. Из рисунка видно, что на небольших оборотах (до 15000 об/мин) факел распыла у ПВР-М10 имеет существенную полидисперсность, которая уменьшается с увеличением скорости вращения. Так, при окружной скорости v>26 м/с значительно возрастает число капель, имеющих средний диаметр 3040 мкм (более 50%).

Рис. 10 Дисперсность образцов ПВР-М10: а - наружный диаметр D_н =19 мм; б - D_н =16 мм

Из рисунка 10 также видно, что распределение капель в распыле имеет два экстремума: малый пик, указывающий на размер капель-спутников, и большой пик, соответствующий диаметру основных капель. Если с увеличением скорости вращения размер основных капель уменьшается значительно (от 55ч45 до 33ч35 мкм), то диаметр спутников практически не изменяется и остается равным примерно 5 мкм. Аналогичная картина наблюдается в дисперсных характеристиках ПВР-М20, а также у образцов ПВР из ПФК и волокнистых материалов.

При окружной скорости v>30 м/c в дисперсности распыла проявляются существенные изменения. Крупные фракции пропадают, диапазон размеров капель сужается. При v=36.6 м/c более 50% капель имеют диаметр 2040 мкм. Возрастает и доля мелких фракций - в распыле содержится до 30% капель размером менее 20 мкм. Можно утверждать, что при данной скорости вращения ПВР из микропорошков и волокнистых материалов достигает границы тонкого и практически монодисперсного режима распыливания.

Полученные в экспериментах данные позволяют рекомендовать вращающиеся распылители на основе абразивных микропорошков, ПФК и пористых конструкций с волокнисто-радиальной структурой распыливающей поверхности для использования в системах вентиляции и кондиционирования при проведении процессов увлажнения воздуха. Отдельные конструкции увлажнительных аппаратов бытового и промышленного назначения с ПВР для тонкого распыления воды приведены в главе 6.

В пятой главе работы рассматривается важная задача - определение способов снижения энергоемкости распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования.

Анализ проблемы показывает, что значительные потери энергии возникают при образовании отрывных зон на входе в аппараты, которые зачастую имеют вид раструбов. Наличие отрывных зон существенно снижает аэродинамические качества и ухудшает акустические характеристики аппаратов. Профилирование входов по очертаниям свободных линий тока позволит существенно снизить энергоемкость распылительных аппаратов и уменьшить шум, создаваемый ими.

Постановка задачи: рассчитываются очертания свободных линий тока, ограничивающих отрывные зоны на входе в плоский раструб с углом раскрытия . Расход удаляемого воздуха - , длина раструба - , полуширина патрубка - . Схема симметричной половины течения в физической плоскости приведена на рис. 11, а. В точке поток срывается с острой кромки, образуя отрывную зону, ограниченную свободной линией тока . Далее в т. снова происходит отрыв потока и формируется вторая вихревая зона, ограниченная свободной линией тока . При малой длине раструба обе отрывные зоны сливаются в одну - “короткий раструб”.

Течение вне отрывных зон безвихревое. Следуя основным положениям теории течений идеальной жидкости со свободными поверхностями, принималось, что вдоль них модули скоростей постоянны: на и на . Поскольку очертания свободных линий тока неизвестны, то невозможно сформулировать краевую задачу для уравнения Лапласа в физической плоскости z. Устранить эту сложность можно путем введения специальных функций. Здесь используется модифицированная функция Жуковского

, (35)

где ; ; - комплексный потенциал течения; и - соответственно, потенциал и функция тока; - сопряженная комплексная скорость; и - модуль и аргумент комплексной скорости.

Области течения в плоскостях и приведены на рис. 11, б и 11, в.

Рис. 11 К расчету течения во входном патрубке с «длинным» раструбом. Соответствие областей при отображениях: а - течение в реальной плоскости; б - область течения в плоскости комплексного потенциала; в - область течения в плоскости переменной Жуковского; г - течение в параметрической верхней полуплоскости

Далее для решения задачи используется метод конформных отображений. Найти соответствие между областями и затруднительно, поэтому в рассмотрение вводится параметрическая верхняя полуплоскость (рис.11, г). Отображения областей и на верхнюю полуплоскость находятся с помощью формулы Кристоффеля-Шварца

; (36)

, (37)

где-неизвестные параметры отображения;-переменная интегрирования.

Из равенства (35) следует, что

. (38)

Объединение уравнений (36) и (38) дает формулу отображения областей z и друг на друга

. (39)

Уравнения (38) и (39) в принципе дают решение поставленной задачи. Необходимо еще определить шесть параметров отображения и скорости , . Эти параметры определяются с помощью теории вычетов и заданной геометрии раструба. Не приводя подробных выводов, приведем соответствующие уравнения. Из теории вычетов следует:

; (40)

; (41)

; (42)

. (43)

Из геометрии раструба вытекает:

длина раструба l -

; (44)

координата точки Е -

; (45)

координата точки Н -

; (46)



полуширина трубы В -

. (47)

В последнем выражении

; .

Уравнения (36)(47) позволяют рассчитать поле скорости и очертания свободных линий тока. Так, для первой по ходу воздуха линии тока на границе отрывной зоны CMD имеем:

;

;

.

Подставляя последнее соотношение в уравнение (39) для отображения области на z имеем:



Тогда параметрические уравнения для координат границы СМD:

;

.

На рис. 12 приведены очертания первой по ходу воздуха границы отрывной зоны СМD, полученные для раструбов , (рис. 12, а), , (рис. 12, б) и , (рис. 12, в).

Рис. 12 Форма первой свободной линии тока при различных углах раскрытия раструба

Из рис. 12 видно, что размеры вихревой зоны весьма значительны. Как показывают расчеты, ее протяженность для всех значений не намного меньше длины раструба l. Определены критические длины раструбов l_кр при разных значениях угла раскрытия /. Если l< l_кр, то мы имеем «короткий раструб» с одной отрывной зоной.

Приведенный анализ дает достаточно полное представление о кинематических характеристиках течений вблизи «коротких» и «длинных» раструбов с разными углами раскрытия. Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных конструкций входных участков различных вентиляционных агрегатов, тепломассообменных камер и увлажнительных устройств.

Шестая глава посвящена вопросам практического использования результатов исследований. В основу разработанной методики инженерного расчета ПВР для промышленных аппаратов распылительного типа заложены теоретические модели каплеобразования, что позволяет расчетным путем устанавливать структурные и режимные параметры ПВР, гарантирующие получение заданного качества распыла. На примере определения требуемых характеристик центробежного скруббера с ПВР из абразивного материала, проектируемого для очистки промышленных газовых выбросов, показана технология использования методики расчета и ее точность.

Приведена методика расчета ПВР с тонким распылением воды, разработанная для систем доувлажнения воздуха в помещениях с тепло-влаго-выделениями. Представлен порядок построения на I-d диаграмме процессов изменения состояния воздуха в помещении, даны зависимости для определения интенсивности увлажнения и времени достижения требуемого уровня влажности. Характеристики ПВР и место установки распылителя в помещении предлагается определять с учетом параметров траектории полета (рис.13) и длительности испарения капель (рис.14).

Рис. 13 Схема установки ПВР в помещении Рис. 14 Время «жизни» капель в воздухе

Методика расчета ПВР для системы доувлажнения была использована при реконструкции вентиляции в производственной типографии завода «Сантехприбор» г. Казани. Проведение мероприятий по нормализации влажности в производственных помещениях принесло ощутимый экономический эффект благодаря экономии бумаги и картона до 57 % и сокращения времени на приладку машин до 20%. Срок окупаемости внедренной системы доувлажнения составил 6 месяцев.

Программа расчета размеров капель, образующихся при распыливании жидкостей вращающимися распылителями с коническими каплеобразующими элементами, использована в проектном институте «Татинвестгражданпроект» (г. Казань) при разработке раздела ОВ проекта «Пристрой и реконструкция Бугульминского Государственного русского драматического театра». Применение методики позволило определить требуемые характеристики многодисковых распылителей с зубчатой периферией, используемых в секции увлажнения вентиляционно-увлажнительных установок ВВУ-10 и ВВУ-20 (ОАО «Энергомаш», г. Тверь). Такие установки предусмотрены проектом для кондиционирования зрительного зала театра.

Предложения по устройству распылительной системы доувлажнения воздуха в торговом зале-экспозиции «Садовый рай», обеспечивающей требуемые параметры микроклимата по техническому заданию на проектирование, использованы ГУП «Татинвестгражданпроект» в ходе разработки проекта отопления и вентиляции административно-торгового центра на Ильинском шоссе г. Красногорска Московской области.

Оценка экономической эффективности от внедрения отдельных разработок распылительных узлов деаэраторов и увлажнителей на основе ПВР проводилась в МУП ПО «Казэнерго» г. Казань, ООО «Елабужское предприятие тепловых сетей» г. Елабуга, в ОАО «Зеленодольское ПТС» г. Зеленодольск Республики Татарстан, а также в ЗАО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат». Подтвержденный актами экономический эффект, ожидаемый и полученный на данных предприятиях от внедрения результатов исследования, составляет 134, 550, 128 и 149 тыс. руб. в год, соответственно.

В отдельных параграфах главы приведено описание разработанного способа распыливания и конструкций механических распылителей, позволяющих нейтрализовать образование капель-спутников при работе в режиме монодиспергирования (рис. 15). В их основе лежит применение каплеобразователей в виде гибких упругих нитей, удерживающих на своей поверхности микрокапли при отрыве "основных" капель. Здесь же формулируются необходимые условия для осуществления способа, механизм процесса иллюстрируется фотографиями.

Рис. 15 Конструкция распылителя с гибкими нитями и режимы распыливания а - режим «основных капель» (v<2 м/с); б - «струйный» (2<v<8 м/с); в - режим «тонкого распыливания» с концов нитей (v>8 м/с).

Также рассмотрены конструкции ПВР для работы с жидкостями, загрязненными механическими примесями (рис. 16). Основным элементом конструкций является вкладыш-ротор 1 с конической внутренней поверхностью, выполняющий роль центрифуги для выделения загрязнителя. Твердые частицы осаждаются под действием центробежной силы на внутренней поверхности вкладыша в виде кольцевого слоя осадка. Очищенная жидкость отводится через центральную щель 2 к внутренней поверхности пористого цилиндра 3 и распыляется, а осадок периодически удаляется из распылителя по конусу 4 через штуцер 5, отводящий частицы загрязнителя от внутренней поверхности пористого цилиндра распылителя. Такие конструкция ПВР рекомендуется для промышленных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха с частичной или полной рециркуляцией воды.