WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Из полученной зависимости следует, что величина суммарного вектора разности скоростей капельной жидкости и обдувающего ее потока газа, в отличие от распыления в неподвижной среде, не всегда имеет максимальное значение на выходе и иногда достигает его только через некоторый промежуток времени, зависящий от исходных параметров системы. Размер частиц дисперсной фазы при этом достигает своего минимального значения только после вторичного дробления капель на периферии закрученного потока сплошной фазы.

Кроме представленной конструкции камеры предварительного смешения была разработана конструкция основного ее элемента - устройства подачи жидкой фазы (патент 68653 РФ).

а)

б)

1 – корпус; 2 - входной патрубок; 3 - канал для жидкости; 4 - сопло, состоящее: иззоны уменьшения проходного сечения канала (I), рабочей зоны (II); зоны увеличения площади проходного сечения (III); 5 – закручивающее устройство

Рисунок 1 – Общий вид форсунки (а), с разрезом (б)

Разработанное устройство состоит из входного патрубка 2, корпуса 1 с каналом для жидкости 3 и кольцевого выходного сопла 4. Отличительной особенностью данной конструкции является то, что выходное сопло форсунки 4 состоит из зоны уменьшения проходного сечения канала (I), рабочей зоны (II); зоны увеличения площади проходного сечения (III), кроме этого внутренний канал 3 корпуса форсунки 1 обеспечивает равномерность подвода жидкости к соплу. Также в корпусе 1 может содержаться закручивающее устройство 5 или насечки на поверхности рабочей части сопла, благодаря которым вектор скорости на выходе приобретает тангенциальную составляющую (рисунок 1, 2).

Устройство для диспергирования жидкости работает следующим образом.

Жидкость через патрубок 2 поступает в канал 3 корпуса 1, по которому равномерным потоком попадает в сопло 4. В I зоне сопла за счет уменьшения площади проходного сечения канала увеличивается скорость потока. Далее распыляемая жидкость поступает в рабочую зону сопла II, где происходит стабилизация потока, откуда попадает в зону расширения III, в которой струя распадается. При установке в корпус закручивающего устройства 5 поток жидкости приобретает вращательное движение относительно оси форсунки, что благодаря возникновению центробежных сил увеличивает угол раскрытия факела распыла.

Канал в корпусе форсунки предназначен для соединения входного патрубка круглого сечения с входным сечением сопла, имеющего форму боковой поверхности усеченного конуса, причем количество подводимой жидкости ко всем точкам входного сечения должно быть одинаковым. Для равномерного подвода жидкости к соплу необходимо избегать пульсаций скорости. Постоянство скорости, согласно уравнению неразрывности потока, можно сохранить при неизменности площади проходного сечения канала в корпусе форсунки.

Для упрощения проектирования определена зависимость геометрических размеров канала в корпусе форсунки с площадью его проходного сечения. По ней можно определить длину образующей усеченного конуса в произвольной точке канала для форсунки с закручивающим устройством

, (2)

где Rбi

-

радиус вращения произвольной точки, располагающейся на внутренней поверхности внешней стенки корпуса форсунки, м (рисунок 3);

-

угол раствора срединной конической поверхности канала в корпусе форсунки;

ki

-

степень изменения проходного сечения канала в рассматриваемой точке по сравнению с площадью поперечного сечения входного патрубка;

i

-

отклонение вектора скорости в заданной точке от радиально-осевого направления;

Rвх

-

радиус входного патрубка форсунки, м.

Рисунок 2 – Трехмерная модель форсунки без закручивающего устройства

Рисунок 3 – Осевой разрез форсунки

В третьей главе представлены зависимости основных характеристик вихревых прямоточных смесителей от их геометрических размеров, а также описаны конструкции разработанных устройств повышенной эффективности.

Для сравнения между собой прямоточных устройств смешения в данной главе представлена система критериев для оценки эффективности работы подобных устройств. По разработанной системе к основным характеристикам прямоточных гомогенных смесителей, по аналогии с механически мешалками, отнесены:

Потери энергии. В прямоточных смесителях смешение происходит за счет энергии потока, поэтому величиной, характеризующей потери энергии, можно считать потерю напора потока на смесительном участке аппарата, включающем зону подвода, перемешивающее устройство и зону стабилизации движения.

Интенсивность перемешивания. Количественную оценку интенсивности перемешивания прямоточных смесителей связали с геометрическими размерами устройства. Так, в трубах круглого сечения интенсивность перемешивания может характеризоваться отношением диаметра трубы к длине смесительного участка аппарата.

Эффективность перемешивания. Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания. Для его оценки необходимо определить дисперсию концентрации. Для прямоточных смесителей эффективность перемешивания характеризуется дисперсией концентрации в проходном сечении после смесительного участка и определяется по формуле

, (3)

где С

-

концентрация смеси;

Сср

-

средняя концентрация смеси в проходном сечении аппарата.

На основе данных, полученных при исследовании прямоточных смесителей, было выявлено, что высокой эффективностью обладают устройства, в которых создается закрученное движение компонентов. Для исследования характеристик вихревых смесителей использовали компьютерное моделирование с применением программного комплекса FlowVision 2.3. Данный продукт предназначен для расчета гидро- и газодинамических задач (вместе с сопряженными процессами тепло- и массопереноса) в широком диапазоне чисел Рейнольдса и Маха в произвольных трехмерных областях.

Для исследования влияния шага шнека, используемого в смесительном устройстве, на качество смешения рассмотрели закручивающее устройство, расположенное в трубе диаметром 0,3м, длина которого постоянна и равна 0,75м. Скорость поступающих компонентов задавали равной 1 - 0,5; 2 - 1 и 4 - 2 м/с. Исследовали шнеки с шагом от 0,18 до 0,45м (от 0,6 до 1,5 калибров).

Из полученных данных следует, что качество смешения при увеличении шага шнека на начальном этапе увеличивается, но, достигая своего максимума, начинает уменьшаться, это связано с тем, что при высокой интенсивности закрутки потока происходит обратный смешению процесс – разделение компонентов в поле действия центробежных сил, а при низкой - поток недостаточно турбулизируется.

Для исследования изменения качества перемешивания сред в трубе круглого сечения после закручивающего устройства, выполненного в виде шнека, рассматривали среднюю дисперсию концентраций в плоскостях, перпендикулярных оси аппарата, расположенных на разных расстояниях от шнека.

Из полученных данных следует, что в пространстве после шнека наблюдается увеличение качества смешения, причем наибольший его рост (при заданных условиях) наблюдался на расстоянии 0,6 1,0 калибров. Данная закономерность сохранилась при разных входных скоростях смешиваемых компонентов. Это явление можно объяснить турбулизацией потока при нестационарном движении жидкости, проявляющемся в изменении интенсивности закрутки потока на выходе с закручивающего устройства, причем наиболее резкое изменение движения происходит непосредственно за шнеком.

Для определения зависимости основных характеристик смесителя при изменении количества витков шнека исследовали смесительное устройство, представляющее собой шнек с переменным числом витков от 1,0 до 3,0.

Из полученных данных следует, что основной перепад давлений создается на первых витках шнека. Это можно объяснить тем, что именно на первых витках потоку придается закрученное движение, а на последующих только поддерживается заданная интенсивность закрутки. Исследование дисперсии концентраций в плоскости, перпендикулярной оси трубы, подтвердило это предположение, так как после 1,52,0 шагов закручивающего устройства происходит резкое (на 38,4 и 58% при шаге 0,18 и 0,24м соответственно) увеличение эффективности смешения, после которого интенсивность роста уменьшается.

На основании проведенных исследований и полученных зависимостей были разработаны конструкции смесительных устройств, работа которых основана на создании и поддержании закрученного движения потока.

Как было отмечено ранее, у закручивающих устройств, выполненных в виде шнеков, наиболее эффективно используются только первые витки устройства, но при этом на этом же участке смесителя наблюдаются наибольшие (по сравнению с остальным шнеком) потери напора. Исходя из этого, в качестве модели для дальнейшего исследования был выбран шнек с плавным уменьшением шага. Данная конструкция позволяет снизить возникающий на входе в смеситель перепад интенсивности закрутки потока, уменьшая сопротивление начального участка шнека.

Исследование смешения в шнеках с плавным уменьшением шага проводили на закручивающих устройствах, имеющих 3,0 витка, с общей длиной 0,72м. При таких параметрах устройства постоянная интенсивность обеспечивается с шагом закрутки 0,24м.

Для оценки характера изменения основных характеристик смесительного устройства в зависимости от отношения начального шага к конечному (hнач/hкон) построен график изменения потерь энергии и качества смешения (рисунок 4).

а)

б)


Рисунок 4 - График зависимости изменения качества смешения (а) и потерь напора (б) смесительного устройства от отношения hнач/hкон при плавном уменьшении шага закрутки для входных скоростей потока 0,813, 1,626 и 3,252 м/с

Из полученных зависимостей следует, что с увеличением отношения длины шага шнека на входе к длине шага на выходе при плавном его уменьшении наблюдается рост качества смешения, сопровождаемый незначительным увеличением потерь давления. В качестве оптимальной конструкции закручивающего устройства был выбран шнек с отношением hнач/hкон = 1,92,1, у которого при росте потерь энергии на 25% увеличивается качество смешения до 97%.

Применение в качестве смесительных устройств шнеков с плавным изменением длины шага ограничено в связи со сложностью их изготовления. Для упрощения конструкции было предложено использовать шнеки с постоянным шагом, расположенные последовательно на одной оси. Такая конструкция смесительного устройства позволяет ступенчато изменять интенсивность закрутки потока, обеспечивая заданное качество смешения при пониженных потерях энергии.

Проверку данного предположения проводили на смесительном устройстве, состоящем из двух шнеков. Первый шнек имел 1,5 витка (как показали предыдущие исследования, такое количество витков минимально необходимо для создания закрученного движения) с постоянным шагом 0,24м. Второй шнек модели имел один полный виток с постоянным шагом: 0,15; 0,18; 0,21 и 0,24м. Расстояние между шнеками в исследуемой модели выбрали равным 0,1м.

Частным случаем данной конструкции является использование шнеков с разным направлением вращения, поэтому в данном исследовании были рассмотрены пары шнеков с одинаковым и разным направлением закрутки потока.

По полученным данным построены графики зависимости основных характеристик смесителя от отношения длины шага первого шнека ко второму при изменении и без изменения направления вращения потока (рисунок 5).

а)

б)


а – дисперсия концентраций; б – потери энергии в смесителе

Рисунок 5 - График зависимости дисперсии концентраций (а) и потери давления (б) от отношения длин шагов первого и второго шнеков (h1/h2) при одинаковом и разном их направлении вращения

Изменение направления вращения потока в смесителе приводит к росту сопротивления на 60-70% по сравнению с устройствами без изменения вращения, но в тоже время позволяет увеличить качество смешения (уменьшить дисперсию концентраций) в 6-10 раз при неизменной интенсивности перемешивания. Стоит также отметить, что использование в смесительном устройстве двух последовательных шнеков с одинаковым шагом увеличивает качество смешения на 75% по сравнению со смесителями, в которых установлен один сплошной шнек с таким же шагом.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»