07 | 12 | 2016
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

Изучению процесса дробления жидкости вращающимися распылителями придаётся большое хозяйственное значение. Это объясняется способностью этих форсунок, в отличие от гидравлических и воздухоструйных, образовывать частицы приблизительно одинакового размера при малых расходах рабочего раствора.

Следует отметить, что ранее при обработке сельскохозяйственных культур использовали метод обычного опрыскивания, при котором затраты жидкости были очень большие. Поэтому при малых затратах рабочего раствора на монодисперсных режимах вращающиеся распылители были пригодны только для лабораторных исследований.

В последние годы наибольшую актуальность обретает переход на ультрамалообъёмное опрыскивание, частным случаем которого является аэрозольная обработка. Таким образом, при расходах жидкости, составляющих литры и даже доли литров на гектар, близких к требуемым для данной операции, вращающиеся распылители получили широкое распространение в машинах для химической защиты сельскохозяйственных культур, в особенности, в аэрозольных генераторах [2].

Изучению данного вопроса посвящено множество научных трудов академиков В. Ф. Дунского, Н. В. Никитина и М. С. Соколова. В них авторами обобщаются явления капания жидкости из капилляра (канальца) и её дробления вращающимся элементом. В качестве последнего, как говорилось ранее, может выступать перфорированный барабан, гладкий диск или конус. В ходе исследований выше названными учёными был выведен метод расчёта вращающихся распылителей для решения практических задач [2].

Для форсунок данного типа авторы выделяют три режима работы. Первый предусматривает образование на кромке вращающегося элемента жидкого тора. Каждый отросток, созданный возмущённым его участком, превращается в основную частицу. Она соединяется с тором жидкой нитью. Далее происходит её отрыв от кромки вращающегося элемента. Это сопровождается распадом жидкой нити на одну или нескольких капель-спутников, размер которых меньше основных. Для вычисления диаметра последних Дунским, Никитиным и Соколовым была выведена следующая формула [2]:

(2.1)

где: R и ω – соответственно радиус и угловая скорость вращающегося

элемента;

поверхностное натяжение и плотность жидкости;

С – константа, изменяющаяся в зависимости от свойств жидкости и других факторов. Для минеральных масел и воды [5].

Далее авторами было получено выражение для определения относительного весового количества капель-спутников Е (%):

(2.2)

где: - вязкость жидкости; Q – её расход.

Исходя из данной формулы, Дунский, Никитин, Соколов сделали вывод о том, что количество капель-спутников прямо пропорционально расходу жидкости. Причём, в случае достижения последним критического значения Q=QКР происходит смена первого режима распыления вторым. В результате возникшие на жидком торе отростки, не успев превратиться в капли, вытягиваются в длинные нити, которые на некотором расстоянии от кромки вращающегося элемента распадаются на однородные по размерам частицы. В то же время между ними образуются тонкие перемычки, дробящиеся на мелкие капли-спутники.

Дальнейшее возрастание расхода влечёт за собой смену второго режима распыления третьим. В результате с кромки вращающегося элемента вместо жидких нитей сбрасывается сплошная плёнка. Возмущения, действующие на неё, вызывают её распад на капли различных размеров.

Образующаяся в результате этого система, как и при обычном распыливании жидкости, является полидисперсной [2].

Таким образом, авторы выявили, что требуемый монодисперсный распыл обеспечивается только при первом режиме работы форсунки. Для этого также необходимы малые расходы жидкости (Q) и хорошее смачивание её поверхности вращающегося диска [5].

Как было сказано ранее, в ходе своих исследований Дунский, Никитин и Соколов изучали процесс изучения капли из канальца (капилляра) с последующим её дроблением при попадании на вращающийся элемент.

Первая стадия предусматривает сужение жидкой перемычки между канальцем и каплей. При этом поверхностное натяжение последней ослабевает, что вызывает возрастание её ускорения. В результате разрыва перемычки образуется несколько частиц-спутников. Далее основная капля свободно падает с канальца на вращающийся элемент. В этот период может произойти её вторичное дробление или деформация под воздействием внешних сил [5].

Авторы разделили рассматриваемый процесс на три части. Сущность первой заключается в образовании капли при равновесии действующих на неё сил. После этого происходит вторая стадия процесса. В результате её протекания равновесие сил нарушается, за счёт чего капля полностью отрывается от канальца. Далее происходит третья стадия. Она предусматривает совершение каплей свободного полёта.

В настоящей диссертационной работе проводятся изучение и модернизация вращающегося распылителя, обдуваемого соосным воздушным потоком. При выведении условия равновесия для этого случая Дунский, Никитин и Соколов учитывали силы, под действием которых происходит дробление жидкости [5]:

+=. (2.3)

Рассматривая вторую часть процесса, авторы оговаривали условия его начала: В определённый момент времени сила поверхностного натяжения равна где - радиус цилиндрической жидкостной перемычки между каплей и канальцем [5]:

(2.4)

Далее Дунским, Никитиным и Соколовым было выведено выражение для силы, действующей на каплю в момент . Она состоит из массы капли, жидкости, притекающей в неё за данный промежуток времени, силы поверхностного натяжения и аэродинамической [5]:

(2.5)

Однако, как отмечалось авторами ранее:

(2.6)

Следовательно:

(2.7)

После этого Дунским, Никитиным, Соколовым было получено уравнение движения капли. Оно выведено в пренебрежении вяз костными силами [5]:

(2.8)

Время отрыва капли определяется конечным показателем R1. Согласно наблюдениям авторов, он принимается ~R/2,5. При этом из формулы действующей на каплю силы F [5]:

SII=10,5R. (2.9)

Значение dT можно определить из условия равновесия. После этого, учитывая выражение для SII, определяется длительность второй стадии процесса капельного истечения [5].

Далее авторами проводились экспериментальные исследования третьего этапа. Их цель состояла в выяснении, дробится ли капля или нет. По их утверждению, присутствие вторичного измельчения определялось критерием Вебера [5]:

(2.10)

При определении условий равновесия авторами было сделано предположение, что векторы центробежной (В) и аэродинамической (А) сил пересекаются под прямым углом: т. е. [5]:

(2.11)

Отсюда:

(2.12)

После этого Дунский, Никитин, Соколов установили, что время приобретения каплей размера dT, равняется [5]:

(2.13)

Для упрощения дальнейшего решения задачи авторы не обращали внимания на дополнительное количество жидкости, поступающей в каплю. Таким образом, они принимали её диаметр при отдалении от канальца за постоянный. Главными рассматриваемыми параметрами капли для авторов являлись: радиус цилиндрической части r, её длина kr, диаметр сферического фрагмента dT. Из собственных наблюдений авторами были выведены приближённые выражения для нахождения этих величин: r=dT/4, k=4.

Дунский, Никитин, Соколов описывали протекание второй части процесса следующим образом. Капля, двигаясь в радиальном направлении, проходит путь длиной s. При этом цилиндрическая её часть вытягивается и сужается, а объём остаётся постоянным. Радиус этой перетяжки становится равным r1. Исходя из этой гипотезы, авторы вывели уравнение данного явления [5]:

(2.14)

Отсюда радиус цилиндрической части равен:

(2.15)

Для начала отрыва капли от канальца:

Таким образом, по Дунскому [5]:

(2.16)

Согласно гипотезе этого учёного, сила поверхностного натяжения в момент определяется по формуле [5]:

(2.17)

Также в этом периоде принимают участие центробежные силы, действующие на каплю и притекающую в неё жидкость, аэродинамическая сила и поверхностное натяжение [5]:

(2.18)

Движение капли при её отрыве описывается следующим уравнением (без учета вязкостных сил) [5]:

(2.19)

Согласно наблюдениям Дунского, Никитина, Соколова, конечное значение s=sII, может равняться [5]:

sII=5dT. (2.20)

Далее с учётом этого выражения, а также, зная величину dT, определяемую по формуле (2. ), и решив уравнение движения капли, можно найти длительность второго этапа процесса .

В своих исследованиях Дунский, Никитин, Соколов особое внимание обращали на третью часть истечения частицы жидкости – её свободный полёт. На этой стадии существует вероятность вторичного дробления. Это, в свою очередь, по мнению авторов, могло повлечь за собой нарушение монодисперсности системы основных капель – потерю главного преимущества вращающихся распылителей.

Для проверки данной гипотезы этими учёными были проведены необходимые эксперименты. В них применялась опытная установка, имевшая выпускной насадок конфузорообразной формы, направленный вертикально вниз. Внутри него был помещён вращающийся распылитель с приводом от электродвигателя. Вниз через насадок вытекал воздух, нагнетаемый вентилятором. В результате этого образовывалась турбулентная струя (Re=10600…67000). Воздух имел постоянную скорость, равную U, значение которой не изменялось при прохождении через выпускное сечение конфузора и ядро постоянных скоростей, за пределами которого она снижалась.

В качестве резервуара использовался цилиндр, заполненный жидкостью. Подача к распылителю осуществлялась с помощью шлангового насоса. Тонкая жидкостная струйка с малым расходом поступала на вращающийся конус.

В своих опытах Дунский, Никитин, Соколов использовали вазелиновое масло, плотность которого поверхностное натяжение кинематическая вязкость [5].

Все явления, происходившие во время образования капель на кромке вращающегося распылителя, фиксировались при помощи строботахометра.

В результате проведение экспериментальных исследований дробления вазелинового масла вращающимся распылителем Дунский, Никитин, Соколов установили условия, при которых характер измельчения остаётся постоянным (первый монодисперсный режим). Это наблюдается при скорости обдувающего воздуха U=0…33 м/с, числе оборотов диска n=725…10000 об/мин, диаметре конуса 2,5 см и расходе жидкости Q=0,005 мл/с. Описывая этот процесс, авторы говорили о появлении отростков, образовавшихся на жидком торе из выпуклостей, которые вырастали и вытягивались. После этого они отрывались от кромки диска и совершали свободный полёт. В результате образовывалась система основных капель, приблизительно одинаковых по размеру. Кроме того, согласно наблюдениям авторов, малое количество оборотов диска (725…1160 об/мин) и высокая скорость обдувающего воздуха (25…30 м/с) влекут за собой лишь незначительный сдвиг жидкого тора вниз, где конус образует аэродинамическую тень (на 0,5…1 мм). Однако в целом постоянство характера капле образования сохраняется [5].

Исходя из наблюдений этого процесса в различных диапазонах изменения параметров, авторы сделали утверждение по поводу правильности своей гипотезы о монодисперсности системы основных капель. Она содержит, как обычно, некоторое количество более мелких частиц-спутников.

Оценку монодисперсности авторы проводили, используя формулу среднеквадратичного отклонения размеров капель по массе распыленной жидкости [5]:

(2.21)

где: - масса жидкости в i-ой фракции капель среднего диаметра ;

- медианно-массовый диаметр капель.

Кроме того, при определении данного критерия учёные определяли коэффициент вариации [5]:

(2.22)

При исследовании процесса истечения жидкости из канальца с последующим её дроблением при попадании на вращающийся элемент Дунский, Никитин, Соколов провели 32 опыта.

Для каждого из них авторами были получены значения dm/dT, выведена зависимость этой величины от соответствующих критериев Вебера [5]:

(2.23)

Этот показатель характеризует условия вторичного дробления капель.

Полученная учёными зависимость dm/dT от We была отображена ими в виде графиков. Из них авторами было установлено, что значение dm/dT при малом критерии Вебера (WeКР=0…2) приближается к единице ((dm/dT)=0,83…0,94), т. е. измеренный медианно-массовый диаметр капель dm близок к величине dT, определяемому по формуле (2. ). Таким образом, гипотеза о монодисперсности дробления жидкости вращающимся распылителем при обдуве его соосным воздушным потоком и принятая схема процесса подтверждаются при

С возрастанием критерия Вебера (We>2) происходит быстрое убывание значения dm/dT. Дунским, Никитиным и Соколовым было установлено, что при We=8 показатель dm/dT достигает отметки 0,3.

Такой характер протекания данного процесса авторы объясняли тем, что увеличение We влечёт за собой резкое возрастание коэффициента вариации размеров основных капель, а, следовательно, и степени поли дисперсности распыла. Сочетая это явление с результатами своих визуальных наблюдений, согласно которым монодисперсность дробления жидкости сохраняется, и учитывая быстрое убывание dm/dT, Дунский, Никитин, Соколов пришли к выводу, что всё выше описанное может объясняться только вторичным дроблением капель, начало которого происходит при и интенсифицируется с увеличением этого показателя (при известных условиях эксперимента).

В результате проведения дальнейших опытов авторами было установлено, что критическое значение критерия Вебера находится в прямой зависимости от вязкости жидкости. Для проверки данной гипотезы в отношении вращающихся распылителей Дунский, Никитин и Соколов провели шесть дополнительных экспериментов. При тех же условиях применялась прежняя установка. Однако в качестве распыливаемого вещества использовалось соляровое масло ().

Результаты экспериментальных исследований заносились авторами в таблицу и отображались в виде графиков [5].

Исходя из итогов своих опытов учёные установили, что вязкость жидкости оказывает существенное влияние на критерий Вебера We только в начале вторичного дробления. При этом критические значения WeКР не зависят от рассматриваемого фактора. Они практически одинаковы как для вязкой, так и для мало вязкой жидкости.

Таким образом, по Дунскому, при We>2, т. е. при значительных скоростях обдувающего воздушного потока крупные капли могут действительно подвергнуться вторичному дроблению, что лишает вращающиеся распылители их главного преимущества – монодисперсный распыл жидкости. С целью избежания этого явления Дунским, Никитиным и Соколовым были приняты рамки проведения процесса

Для удобства расчётов авторы придали условию более простую форму.

Согласно результатам исследований, проведённых ранее этими учёными [5]:

(2.24)

*

* (2.25)

Далее, решив это уравнение относительно U, Дунский, Никитин, Соколов определили условие обеспечения отсутствия вторичного дробления, согласно которому скорость обдувающего воздуха должна быть не выше максимально допустимой [5]:

(2.26)

В отношении вращающегося распылителя наземного аэрозольного генератора, обдуваемого соосным воздушным потоком, создаваемым вентилятором, авторы говорили о необходимости выполнения ещё одного условия. Оно заключается в требуемой способности образующихся основных капель, имеющих высокую начальную скорость при отрыве от периферии диска, не «пробивать» воздушную струю и выйти из неё, а полностью увлекаться ею. Исходя из этого условия, авторами было выведено неравенство, отображающее сущность данного условия:

UMIN<U<UMAX, (2.27)

где: UMIN – скорость обдувающего воздуха при начале выпадения капель (определяется экспериментально) [5].

Относительно рассмотренных выше результатов исследований Дунского, Никитина и Соколова по вопросу дробления рабочего раствора вращающимися распылителями можно сделать вывод, что во всех представленных расчётах и гипотезах производится очень тщательный и обстоятельный учёт физико-химических свойств жидкости и сил, действующих на каплю.

Однако в этой теории не обращено внимание на агротребования, предъявляемые к аэрозольной обработке. Кроме того, не учтены конструктивные и эксплуатационные факторы, имеющие большое значение для разработки устройства и обоснования параметров распылителя.

Устранение выше указанных недостатков теории является одной из основных задач настоящих исследований. Её решение даст возможность оптимизировать качественные показатели работы распылителя для аэрозольного генератора и минимизировать затраты на выполнение технологической операции химической защиты сельскохозяйственных культур.


Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить