книги из ГПНТБ / Тарабанов, М. Г. Тепло- и массоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления учебное пособие

ГЛАВА II. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ КОНСТРУКЦИЕЙ

ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ И ЕЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

В камерах орошения для создания развитой поверхности контакта осуществляется распиливание воды механическими форсунками. Процессы распиливания жидкостей широко при­ меняются в современной технологии, в частности, в ракетной технике, в химической и пищевой промышленности, при эк­ страгировании твердых веществ из жидкостей, сушке и во многих других случаях. Столь широкое применение объясняет­ ся тем, что при диспергировании жидкости резко увеличивает­ ся поверхность контакта, обеспечивается лучшее взаимодейст­ вие жидкости с реагирующей средой и интенсифицируется теп­ ло- и массоперенос. Поэтому изучению процессов распыления жидкостей посвящено сравнительно много теоретических и экспериментальных работ, которые достаточно полно рассмот­ рены в трех вышедших недавно монографиях [23, 25, 119].

Наибольшее распространение для диспергирования жид­ костей получили механические форсунки различных типов, в которых осуществляется предварительное закручивание пото­ ка. Во многих случаях эти форсунки имеют сходные конст­ рукции, однако предъявляемые к ним требования зависят от конкретных условий работь!, от типа аппарата, где они исполь­ зуются. Поэтому для каждой области техники проводятся спе­ циальные исследования форсунок, но с учетом общих законо­ мерностей их конструирования.

В камерах орошения установок кондиционирования возду­ ха требуется довольно грубый распыл и большой расход воды, поэтому форсунки работают при малых давлениях (0,5-f-'3,0 кг/см2) и имеют значительные размеры входных каналов, ка­ меры закручивания и диаметра сопла. Следует отметить не­ сколько основных работ, в которых изучалось действие таких форсунок.

31

В 1934 г. И. О. Лобов и В. Ф. Поликарпов провели испы­ тания 32 форсунок различных типоразмеров, применяющих­ ся для промышленной вентиляции [100]. Авторы исследовали производительность форсунок, угол распыла, активную длину и плотность факела, а также коэффициенты влагоотдачи при работе форсунок на режимах изоэнтальпийного увлажнения воздуха. Результаты испытаний показали значительное влия­ ние конструктивных параметров форсунок на эффективность увлажнения воздуха и позволили рекомендовать форсунку ти­ па У-1 как наиболее целесообразную для вентиляционных ус­ тановок. Форсунки этого типа применяются на некоторых предприятиях и в настоящее время. К сожалению, авторы не могли обобщить результаты испытаний в зависимости от гео­ метрических параметров форсунок из-за отсутствия в то вре­ мя необходимых теоретических предпосылок и опытные дан­ ные были представлены в виде формулы

Формула (2.1) устанавливает прямую зависимость между производительностью форсунок и диаметром сопла.

В последующие годы Г. И. Смирновым в Ивановском ин­ ституте охраны труда и А. А. Гоголиным во ВНИХИ были проведены гидравлические испытания нескольких типов фор­ сунок, которые использовались при исследованиях камер оро­ шения. Эти испытания преследовали цель — выбрать из мно­ гообразия применявшихся в то время форсунок наиболее це­ лесообразные конструкции. При этом в качестве определяю­ щих показателей рассматривались производительность форсу­ нок, их вес и простота изготовления, т. е. чисто конструктив­ ные характеристики.

В 1955-М957 гг. в связи с подготовкой к выпуску типовых камер орошения во ВНИИСТО под руководством Е. Е. Карписа и О. Я. Кокорина были проведены испытания большого чис­ ла центробежных форсунок с тангенцйальнымподводом воды (свыше 50 типоразмеров) [68]. При проведении этой работы ставились следующие задачи: оценка влияния индивидуальных особенностей изготовления форсунок на их производитель-

32

ность; определение производительности форсунок с различны­ ми геометрическими размерами; определение возможности форсирования производительности форсунок за счет устройст­ ва двухстороннего распыления воды; установление степени расхождения между фактическими и теоретическими значения­ ми коэффициента расхода. В результате испытаний получили расчетные зависимости для определения производительности девяти групп форсунок, которые выражаются эмпирическими

причем показатель степени ш для различных групп форсунок изменяется в пределах от 0,91 до 1,40, т. е. линейная' зависи­ мость между производительностью форсунок и диаметром соп­ ла не соблюдается. Достоинством этой работы является то, что при анализе .экспериментальных данных использовались теоретические результаты, полученные Г. Н. Абрамовичем и Л. С. Клячко. Здесь же установлено, что отклонения фактиче­ ских коэффициентоврасхода от расчетных составляют от —26% до +41%- В итоге была выбрана форсунка для типо­ вых камер Кд1002-25. Следует отметить, что выбор данной форсунки в качестве типовой объясняется лишь ее большой производительностью и технологическими достоинствами (про­ стота изготовления из латунного прутка). Фррсунки этого ти­ па наиболее широко применяются в настоящее время. Ис­ пользуются они и в кондиционерах новой серии Кт с трй лишь разницей, что корпус и распылитель форсунки изготавливают­ ся из капрона с латунным вкладышем для сопла да незначительно отличаются размеры.

Из исследований, выполненных в последнее в'ремя, следует отметить работы Е. В. Стефанова [134], В. Д. Коркина [88] и Н. Чолакова [161]. Е. В. Стефанов и В. Д. Коркин изучили дисперсные характеристики форсунок Кд с различными диа­ метрами сопла. В статье [161] приводятся экспериментальные данные работы форсунок одностороннего и двухстороннего распыления и сделана попытка теоретического обобщения по­ лученных материалов. Однако эти сведения носят болыпе.описательный характер, а теоретические выкладки базируются на допущениях, которые не позволяют использовать расчетные зависимости для практических целей..

В заключение следует особо отметить, что при испытаний форсунок для установок кондиционирования воздуха основ­ ное внимание было уделено определению гидравлических ха-

рактеристик отдельных форсунок вне связи с их конструктив­ ными параметрами и без использования имеющихся теорети­ ческих данных в этой области. Такое положение привело к от­ сутствию достаточно надежных материалов для правильного выбора и конструирования форсунок, применяющихся в уста­ новках искусственного климата.

Анализ различных конструкций форсунок, которые исполь­ зуются в камерах орошения на заводах искусственного волок­ на в городах Волжском, Балаково, Курске, Энгельсе, Кауна­ се, Даугавпилсе, Чернигове, Барнауле и др., показывает, что для установок кондиционирования воздуха наиболее целесо­ образны одноканальные центробежные форсунки с тангенци­ альным подводом жидкости. Форсунки этого типа при высо­ кой эффективности работы наиболее просты по конструкции и технологии изготовления, требуют небольших затрат энер­ гии на распыливание воды.

1. Гидравлические характеристики центробежных форсунок

При конструировании и расчете форсунок необходимо знать зависимость их гидравлических характеристик от геометриче­ ских параметров. К гидравлическим характеристикам обычно относят производительность и угол факела распыла. Опреде­ ление этих величин для центробежной форсунки осложняется тем, что течение жидкости в ней характеризуется некоторы­ ми особенностями, обусловленными действием момента коли­ чества движения относительно оси сопла.

~ Если пренебречь силой трения, то момент количества дви­ жения любрй жидкой частицы относительно оси сопла должен сохранять постоянное значение, равное начальному моменту на входе в'камеру закручивания (рис. 1):

Ut — тангенциальная составляющая скорости жидкости в сопле;

г— расстояние от оси сопла до частицы жидкости в сопле;

ивзс—' скорость во входном канале.

Из-формулы (2.3) следует, что тангенциальная составляю­ щая скорости убывает при удалении от оси по гиперболиче­ скому закону. Пренебрегая ничтожной разностью уровней рас­ положения входного и соплового отверстий, полное давление

34

Рис. 1. Расчетная схема центробежной тангенциальной форсун­ ки

жидкости можно определить по уравнению Бернулли:

где рвх — давление жидкости во входном отверстии;

U0 — осевая составляющая скорости жидкости на выходе из форсунки;

р — давление жидкости в потоке.

Из уравнений (2.3) и (2.4) следует, что при г->0 скорость потока должна иметь бесконечно большое положительное зна­ чение, а давление — бесконечно большое отрицательное зна­ чение, что физически невозможно. В действительности по мере приближения жидкости к оси форсунки скорость будет увели­ чиваться, а давление падать, но только до тех пор, пока оно не станет равным атмосферному или давлению окружающей среды, в которую происходит истечение. Ниже давление жид­ кости" упасть не может, так как через сопло форсунка, сооб­

щается с атмосферой. Следовательно, центральная часть фор­ сунки не заполнена жидкостью. Здесь находится воздушный вихрь с давлением, равным давлению окружающей среды, а

истечение жидкости происходит через кольцевое сечение, внут­ ренний радиус которого равен радиусу воздушного вихря гш, а внешний — радиусу сопла гс.

Таким образом, живое сечение струи жидкости на выходе из сопла равно:

где ф — коэффициент заполнения сопла:

Коэффициент заполнения сопла зависит от соотношения между размерами сопла, камеры закручивания и входного ка­ нала. Определение этой зависимости является одной из основ­ ных задач теории.

Теория центробежной форсунки для идеальной жидкости была разработана Г. Н. Абрамовичем [1, 2]. Несколько поз­ же к аналогичным результатам пришли И. И. Новиков [116], Л. С. Клячко [79], Д. Тейлор [194] и К. Баммерт [170].

Г. Н. Абрамович предположил, что в сопле центробежной форсунки устанавливается воздушный вихрь такого радиуса, при котором расход через форсунку будет наибольшим и имен­ но эти .размеры вихря отвечают устойчивому режиму течения жидкости. Это предположение известно как принцип макси­ мального расхода. В результате Г. Н. Абрамович получил тео­ ретические зависимости для коэффициента живого сечения ф, коэффициента расхода рИд и угла факела распыла 2аф от гео­ метрической характеристики форсунки А:

36

Впервые принцип максимального расхода был применен в 1845 г. Беланже для гидравлического расчета водосливов с широким порогом, частным случаем которых является центро­ бежная форсунка с длинным соплом. Согласно этому принци­ пу можно пренебречь влиянием радиального ускорения пото­ ка во входном и начальном участках сопла на расход жидко­ сти. Иными словами, принцип максимального расхода предпо­ лагает, что при отсутствии закручивания жидкости, т. е. ког­ да Rbx-И), коэффициент расхода форсунки близок к единице. Однако из гидравлики известно, что такое истечение возмож­ но лишь в том случае, если сопло спрофилировано по линиям тока жидкости [4, 162].

Поэтому в ряде работ при построении теории центробеж­ ной форсунки для идеальной жидкости вместсг принципа мак­ симального расхода применяют уравнения количества движе­ ния [122, 123, 141, 148]. Следует отметить, что значения коэф­ фициентов расхода, полученные в этих работах для А>2, практически полностью совпадают с'-данными Г. Н. Абрамо­ вича, а При А->-0 разница приближается к 100%, причем зна­ чения ц лежат в пределах 0,5у-0,6, против 1,0 у Г. Н. Абрамо­ вича. Такой коэффициент расхода имеет место в случае исте­ чения из отверстия в тонкой стенке или из короткого внутрен­ него насадка. Следовательно, при А = 0 теории на основе прин­ ципа максимального расхода и с использованием уравнении количества движения характеризуют крайние режимы истече­ ния жидкости из сопел и в этом отношении равноценны друг

ДРУГУНе отрицая правомерности новых направлений в теории

центробежных форсунок, отметим, что при точной постановке задачи использование уравнений количества движения связа­ но со значительными математическими трудностями. Поэтому приходится вводить упрощения, искажающие действительную картину течения жидкости.

Исходя из вышесказанного., целесообразно для первона­ чальной оценки геометрических показателей форсунок исполь­ зовать методику Г. Н. Абрамовича.

Теория центробежной форсунки для идеальной жидкости позволяет правильно представить качественную картину тече­ ния, однако для практических расчетов необходимо учитывать вязкость жидкости. Влияние сил трения приводит к уменьше­ нию момента количества движения потока жидкости но длине форсунки, при этом возрастает коэффициент расхода и убыва­ ет угол факела распыла, на что впервые было указано Л. А.

37

Клячко [77]. Очевидно, такой же результат можно получить, если уменьшать геометрическую характеристику А, что и бы­ ло использовано Л. А. Клячко при разработке теории центро­ бежной форсунки для реальной жидкости.

Л. А. Клячко получил зависимость для коэффициента рас­ хода такую же, как для идеальной жидкости, при условии, что вместо А вводится эквивалентная, геометрическая харак­ теристика вида

где X — коэффициент трения, определяемый из условий на вхо­ де в форсунку по формуле

здесь ReRX= UH

Иногда влияние трения на работу форсунки учитывают эмпирическим путем.

М. Дюма и Р. Ластер [173], изучавшие течение воды в центробежных форсунках 44 типоразмеров, предложили вмес­ то геометрической характеристики параметр

38

Эксперименты по распыливанию керосина различными цен­ тробежными форсунками [149] показали применимость для практических расчетов коэффициента расхода зависимостей (2.7) и (2.8). В то же время, опытные данные 3. И. Теллера и М. Я. Морошкина [29] существенно отличаются от результа­ тов, полученных в работах Г. Н. Абрамовича и Л. А. Кдячко.

Отсутствие достаточно надежных теоретических методов расчета коэффициента расхода центробежных форсунок и уг­ лов распыла, а также малая область применения известных эмпирических формул потребовало проведения дополнитель­

Установка состоит из испытательной камеры 1, стенки ко­ торой выполнены из органического стекла и имеют специаль­ ные окна для фотографирования и определения углов распы­ ла, мерных баков 2 и 3, центробежного насоса 4, коллектора 5, образцового манометра 6 и системы трубопроводов. В качест­ ве рабочей жидкости использовалась вода.

Определение производительности форсунок производилось объемным методом, для чего баки 2 и 3 были тщательно протарированы, а в качестве мерных стекол в них использовались стеклянные мензурки класса 1. Замеры проводились при опо­ рожнении баков, что исключало колебания уровня. Давление воды перед форсункой замерялось непосредственно в месте ее соединения с трубопроводом с помощью образцового маномет­ ра с ценой деления 0,025 кг/см2. Для демпфирования пульса­ цийвода к форсунке подавалась от коллектора большого объема с частичным редуцированием давления. Ось маномет­ ра была на одной высоте с осью форсунки. Производитель­ ность форсунок определяли при давлении 0,5; 1,0; J,5; 2,0 KzjcM2. На каждом режиме проводили не менее четырех заме-

S

39