bbk 000000

УДК 541.183:697.932.6.001.2

Повышение эффективности систем увлажнения воздуха увеличением дисперсности распыла пористыми вращающимися распылителями

Аннотация

Приводятся результаты экспериментального определения размеров капель при диспергировании воды с помощью пористых вращающихся распылителей на основе абразивных материалов. Исследована диспергирующая способность распылителя при распыливании воды с предварительным газонасыщением.

Ключевые слова:

пористый вращающийся распылитель , распыление с предварительным газонасыщением , распылитель с радиальными волокнами , дисперсность распыла

Скачать журнальную верстку статьи PDF

Эффективность процесса увлажнения воздуха при использовании аппаратов распылительного типа зависит от тонкости распыления воды. Капли в факеле распыла должны быть настолько мелкими, чтобы успеть испариться до попадания в рабочую зону помещения или на поверхность строительных конструкций. По данным [1], размер капель не должен превышать 15–20 мкм.

В последние годы интенсивно исследуются пористые вращающиеся распылители (ПВР) на основе абразивных материалов, создающие практически монодисперсный и очень тонкий факел распыла [2; 3]. Высокая степень монодисперсности получаемых капель обусловлена структурой абразивов, имеющих изотропную пористость и практически монодисперсный гранулометрический состав. Близкая к требуемой тонкость распыла может быть достигнута при использовании абразива с минимальным размером зерен и при максимально возможной скорости вращения распылителя. По данным экспериментальной работы [4], при окружной скорости v ≈ 35 м/с образцы распылителя из абразивного микропорошка зернистостью М10 (размер основной фракции зерен d_з= 10 мкм) позволили получить объемный факел распыла с практически монодисперсными каплями диаметром 28–30 мкм. При более высоких скоростях указанные параметры можно считать критическими для этого типа вращающихся распылителей из-за достижения предела прочности изделий.

Одним из способов уменьшения размера образующихся при распыливании капель является предварительное газонасыщение жидкости [5]. Перед подачей в распылитель вода насыщается газом. Распределенный в жидкости газ сжимается до ее давления и частично растворяется. При этом повышается внутренняя энергия жидкости. Возрастание энергии, а также быстрое расширение пузырьков и десорбция газа при истечении жидкости из распылителя приводят к ее распаду на более мелкие, чем в условиях обычного гидравлического распыливания, капли.

Схема экспериментальной установки для исследования дисперсных характеристик пористых вращающихся распылителей с блоком предварительного газонасыщения воды показана на рис. 1. В качестве распыливаемой жидкости использовалась дистиллированная вода (температура 20 С), предварительно насыщаемая углекислым газом. Степень насыщения (концентрация) углекислого газа при известной температуре воды устанавливалась по величине избыточного давления газа над межфазовой поверхностью в емкости подготовки рабочей жидкости. Так как давление газа в экспериментах не превышало 0,5 МПа, его концентрация в воде определялась по формуле Генри-Дальтона [6]:

где C– концентрация газа в воде, г/л;V_CO2,V_H2O – объем газа и воды соответственно, л; Р – парциальное давление газа над поверхностью воды, МПа; К_р – коэффициент растворимости CO₂ в воде при температуре t.

Выборка требуемой совокупности капель для регистрации их дисперсного состава выполнялась с помощью отборного устройства [4]. Капли, прошедшие через окно с отсекателем, улавливались в кювету с иммерсионной средой и фотографировались в проходящем свете. Изображение фиксировалось с помощью веб-камеры (с разрешением 800Ч600), установленной на окуляре микроскопа БСМ-1 с 56-кратным увеличением. Масштаб съемки определялся по визирной шкале второго окуляра (рис. 2). Одно деление шкалы визира соответствовало 13 мкм. Для стандартного разрешения графического файла 640Ч480 цена изображения одного деления составила 2,7 пикселя.

Эксперименты проводились с пористым вращающимся распылителем на основе серийно выпускаемых абразивных изделий типа ПП (прямого профиля) из электрокорунда белого (Al₂O₃) марки 24Ас размером основной фракции зерна 7–10 мкм, что соответствует марке зернистости М10 [7]. На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости среднего диаметра капель от окружной скорости вращения распылителя М10 (кривые 2–5) при различном газонасыщении воды, а также данные о дисперсности факела при распыливании негазированной дистиллированной воды (кривая 1), полученные с такими же образцами распылителя в работе [4].

Как видно из рис. 3, при распыливании газонасыщенной воды наименьший средний медианный диаметр капель в факеле распыла составляет 18 мкм, обычной воды – 28 мкм. Таким образом, предварительное газонасыщение воды диоксидом углерода при распыливании способствует уменьшению среднего объемного медианного диаметра капель факела распыла на 30–35% по сравнению с распыливанием воды без добавления газа.

В работах [2; 4] показано, что монодисперсный поток капель формируется только в том случае, когда материал пористого распылителя имеет регулярную структуру как по размерам образующих его зерен или волокон, так и по размерам пор (питающих каналов). Для обеспечения высокой пропускной способности и возможности использования больших скоростей вращения материал распылителя должен иметь соответственно высокую пористость и прочность. Наиболее важное условие – диаметр пор и каплеобразующих элементов должен быть соизмерим с требуемыми размерами капель. При этом пористая структура тела вращения должна обеспечивать подвод жидкости к периферии с минимальной скоростью фильтрации.

В [4] отмечалось, что необходимым условием получения монодисперсного распыла с помощью пористого вращающегося распылителя из абразивного материала является выступание монодисперсных центров каплеобразования (зерен абразива) на распыливающей поверхности. Такую структуру можно получить только с помощью технологии спекания шлифовального порошка в изделие. Например, такой способ используется при изготовлении шлифовальных кругов крупнозернистой марки 25П [7]. При производстве изделий из микропорошков применяется технология литья, при которой поверхностный слой зерен практически весь покрывается слоем керамической связки. В результате получается не зернистая, а гладкая поверхность, испещренная порами. Эти обстоятельства не позволяют получить требуемую тонкость распыла даже при скоростях вращения, близких к критическому пределу разрушения распылителя.

Анализ преимуществ и недостатков абразивных материалов, а также результаты исследований процесса формирования капель на каплеобразующих элементах разной формы поверхности [8] показывают, что для получения капель размером 15–20 мкм пористый распылитель должен иметь комплексную конструкцию. В качестве распыливающей поверхности может использоваться кольцевой слой в виде «шубы» из натуральных или синтетических волокон, радиально направленных по ходу формирования и отрыва капель.

Для проведения экспериментов были изготовлены несколько вариантов конструкций комплексных вращающихся распылителей. На рис. 4, а представлен образец распылителя на основе цилиндра из пористой керамики (ПФК) диаметром 17 мм с «шубой» из синтетических волокон длиной 5 мм и диаметром 12–14 мкм. На рис. 4, б изображена аналогичная конструкция на основе абразива марки М10 диаметром 19 мм. Структура матерчатой основы «шубы» показана на рис. 4, в.

На рис. 5 приведены значения среднего диаметра капель в распыле образцов распылителя при различных окружных скоростях вращения, достигнутых в опытах. Диаметр капель в распыле не зависит от материала слоев каркаса комплексных распылителей, а определяется только размерами волокон внешней «шубы», а также соотношением окружной скорости v_p и расхода жидкости Q.

Сравнение рисунков 3 и 5 показывает, что добавление к конструкции пористого вращающегося распылителя из абразива или из пористой керамики с «шубой» из синтетических волокон способствует уменьшению размеров капель при одинаковой скорости вращения. Так, минимальный средний диаметр капель в распыле комплексных образцов пористых распылителей составляет 18 мкм и достигается уже при скорости вращения 29,8 м/с (30 тыс. об/мин).

Выводы

Представленные результаты экспериментов с образцами пористых вращающихся распылителей различных конструкций показывают, что распылители данного типа позволяют получать очень тонкий (15–20 мкм)
и достаточно однородный факел распыла. Эти качества позволят конструировать эффективные устройства для увлажнения воздуха в канальных системах вентиляции и кондиционирования, а также автономные аппараты для доувлажнения воздуха непосредственно в помещении.

Список литературы

1. Галустов В. С. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Сафиуллин Р. Г., Николаев Н. А., Посохин В. Н., Колесник А. А. Диспергирование жидкости пористыми вращающимися распылителями. Модели каплеобразования. - Казань: ЗАО "Новое знание", 2004.
3. Гумерова Г. Х., Дмитриев А. В., Николаев Н. А. Динамика дисперсной фазы в вихревом аппарате с пористыми вращающимися распылителями// Проблемы энергетики. 2009. № 1-2.
4. Сафиуллин Р. Г., Протопопов В. Н. О дисперсных характеристиках пористых вращающихся распылителей на основе абразивных материалов // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2008. № 5.
5. Пажи Д. Г., Галустов В. С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984.
6. Пери Д. Справочник инженера-химика. Т. 1. - Л.: Химия, 1969.
7. Гаршин А. П. Абразивные материалы. - Л.: Машиностроение, 1983.
8. Сафиуллин Р. Г., Посохин В. Н. Моделирование каплеобразования на смачиваемых элементах // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2008. № 3.