Сборник статей
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]:

image001_13_1944b1428af9d7cae8f5e75006d27a90 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.1)

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

элемента;

image002_13_e539f59beea466c0ef31342a8bf31b24 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиповерхностное натяжение и плотность жидкости;

С – константа, изменяющаяся в зависимости от свойств жидкости и других факторов. Для минеральных масел и воды image003_14_457ab25d4d38fbdb0483720bc79f22d1 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями [5].

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

image004_14_580feac885548e5747192888d9597fab Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.2)

где: image005_14_1dc58c81f5add0b9eb2c40e7dbd08fff Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями - 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]:

image006_13_6653e4bded73afbaff40a0643c7b75e4 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиimage007_13_8a9f17951372e46dd94e9a77e524d634 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями+image008_14_7c49ba487116c327f9a011fdbd36bba0 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями=image009_13_fcce1cdcd6cf7af2a0b56fa9b4523f98 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями. (2.3)

Рассматривая вторую часть процесса, авторы оговаривали условия его начала: image010_13_b42d918af8890af982cb3f315ae028a5 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями В определённый момент времени image011_14_2d1719356fc0a9e4b7bbfdf320651cb2 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями сила поверхностного натяжения равна image012_14_7a2b498d5b17992e5337f25710ca1385 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями где image013_14_eb27371764be70f82ea6aa070beb9972 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями - радиус цилиндрической жидкостной перемычки между каплей и канальцем [5]:

image014_14_bbb0caba898c972892619f8a19b0d89f Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.4) image015_14_87f8b110632b8305d18a59e56f6c89c2 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиimage016_14_94eb2fab5627da632a70d4941ea13c9b Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиimage016_14_94eb2fab5627da632a70d4941ea13c9b Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

Далее Дунским, Никитиным и Соколовым было выведено выражение для силы, действующей на каплю в момент image011_14_2d1719356fc0a9e4b7bbfdf320651cb2 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями. Она состоит из массы капли, жидкости, притекающей в неё за данный промежуток времени, силы поверхностного натяжения и аэродинамической [5]:

image017_13_d5fd3f5bbb5a133e5ce4728143be5aae Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.5)

Однако, как отмечалось авторами ранее:

image018_12_cc1ba1d146657d520816d18b6ed158a6 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.6)

Следовательно:

image019_12_d3c2fa8b89b1db79194be338f924dbb3 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.7)

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

image020_12_74354fee5072e7ca25a2867eaa7e1bcb Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (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]:

image021_12_3aeacabf0c2db3fd022a367c1e2d7724 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.10)

image016_14_94eb2fab5627da632a70d4941ea13c9b Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями При определении условий равновесия авторами было сделано предположение, что векторы центробежной (В) и аэродинамической (А) сил пересекаются под прямым углом: image022_11_329977d49e1642770e22c7e777bc7a62 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями т. е. [5]:

image023_12_af709dc432649ba1f5d7f939f0e89cc9 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.11)

Отсюда:

image024_12_9041ead1df304861987ba8e179554fcf Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.12)

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

image025_11_77644bd8d1b55f2df2190c74d6aa1137 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (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]:

image026_12_91e9444d7fd55b49c649a5da68baccb6 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.14)

Отсюда радиус цилиндрической части равен:

image027_12_af662a5cf3de70622a06ae8d10b772ce Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.15)

Для начала отрыва капли от канальца: image028_11_02aa05c47db44e67d132e14ff7e6a853 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

Таким образом, по Дунскому [5]:

image029_11_2ae9efd4ea623a806ab05cff547ac0d0 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.16)

Согласно гипотезе этого учёного, сила поверхностного натяжения в момент image011_14_2d1719356fc0a9e4b7bbfdf320651cb2 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями определяется по формуле [5]:

image030_11_3c857db652863cba31f0720db648c0c7 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.17)

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

image031_11_2cc9127b64ba2aae6ef66b67aec61124 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

(2.18)

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

image032_11_dbf0112a1862ddd5b7f45ab35fcc8472 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

(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 image033_11_9cb0c85eff688ce6bcf25307c5b64ff8 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями.

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 image034_10_ad436eed4d18a83f3a2fbf886df903d6 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями поверхностное натяжение image035_9_e5f452dff5f607b1026a8d1f2a042315 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями кинематическая вязкость image036_10_48402344507b46102bdbf5a8b11fa017 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями [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]:

image037_10_f6d0c984453ac5bb48e1a5a636a7e84d Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.21)

где: image038_10_1d11197ebc88fb3dab041e1011360fe7 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями - масса жидкости в i-ой фракции капель среднего диаметра image039_9_fee0e72e29c6a734d9c8688bb3454f93 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями;

image040_9_2c0e5c34e0a8cef2253bc685e8c5c3db Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями - медианно-массовый диаметр капель.

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

image041_9_09e5d93f995230bd6d8e0a7b13ca9f2b Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (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]:

image042_9_65133252adf3bf736b42194c88d87d1a Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (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 image043_9_25f67b025c3c7e4731b51b96283387ca Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

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 image044_8_aaad0982896064f4f032ba89c76e88ec Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями 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 (image045_9_f27ddeb43279d4d53fad50a73585b862 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиimage046_9_4a0ec15d2ce4fbf25eaa35734fed1058 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителямиimage047_9_61497259c5b3a1c51123beabf0232fd5 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями).

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 image048_9_23a45ca3524d716ca2326e636765c558 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

Для удобства расчётов авторы придали условию image049_8_7aa517880f7e8dcc05c869270c54d4cd Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями более простую форму.

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

image050_7_5412a9deda8d214dd3b26157fb02b9fc Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (2.24)

* image051_7_11a83caaac2e4c9719a53b99b07689ef Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями

* (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]:

image052_6_ec2bc7036818fafef6021e958f952f58 Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями (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 image053_4_7b601e800fa34687e768bc39f827964f Элементы теории образования аэрозолей вращающимися распылителями 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