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

роко используются металлические сетчатые фильтры и в от­ дельных случаях — гравийно-песчаные фильтры, которые тре­ буют больших производственных площадей и очень трудоемки в обслуживании. Сетчатые фильтры более просты в эксплуа­ тации, однако не обеспечивают требуемой степени очистки во­ ды. Это объясняется тем, что в условиях форсуночной каме­ ры невозможно установить фильтр с большой поверхностью, а расход воды в камерах достигает 3004-500 ж2/ч. Следователь­ но, удельная нагрузка на фильтр очень велика и при установ­ ке сетки с мелкой ячейкой она полностью забивается (по опы­ ту Волжского завода синтетического волокна, в течение 14-2 часов). Кроме того, фильтры, устанавливаемые в поддоне ка­ меры, очищают только циркуляционную воду, а, подаваемая в летний период холодная вода проходит мимо фильтра и во­ обще не очищается. Конечно, в принципе вопрос тонкой очист­ ки воды не представляет собой неразрешимую задачу, одна­ ко практически это требует огромных .материальных затрат и больших дополнительных производственных площадей, поэто­ му в настоящее время данный путь не получил должного раз­ вития.

По мнению многих авторов [41, 136], для уменьшения засоряемости необходимо применять форсунки с большим диа­ метром сопла. Так, в работе [136] рекомендуются форсунки с диаметром сопла 6—8 мм. Однако по данным самого же Б. Д. Коркина [88], увеличение, например, диаметра сопла типовой форсунки с 4 до 6 мм приводит к уменьшению поверх­ ности капель в два раза, что отрицательно сказывается на эффективности тепло- и, массопереноса в камере орошения. Поэтому такой путь уменьшения засоряемости форсунок нель­ зя признать целесообразным, хотя в отдельных случаях он мо­ жет оказаться единственно возможным.

Для поисков и разработки новых способов борьбы с засо­ рением форсунок необходимо представить физическую карти­ ну этого процесса. Следует подчеркнуть, что процесс засоре­ ния подводящего тангенциального канала форсунки очевиден и не нуждается в разъяснении. Поэтому важнее рассмотреть засорение сопла твердыми частицами, попавшими в камеру за­ кручивания.

Правильность такой постановки вопроса подтверждается данными натурных обследований, которые показали, что в по­ давляющем большинстве случаев засоряется сопло форсунки и лишь изредка — тангенциальный канал. Это 'объясняется

63

тем, что у большинства исследованных форсунок диаметр вхо­ да был равен 6—7 мм, а диаметр сопла — 3—5 мм.

Движение твердых частиц, попавших в форсунку, опреде­ ляется силами гидродинамического сопротивления, и, следо­ вательно, характером течения жидкости в форсунке,» Конечно, наиболее целесообразно было бы описать движение частиц аналитически, но от этогопути приходится отказаться в са­ мом начале, для чего достаточно рассмотреть течение жидкос­ ти в форсунке.

Жидкость, поступающая через тангенциальный канал в ка­ меру закручивания, приобретает в ней вращательное и посту­ пательное движение, направленное вдоль оси форсунки. В об­ щем случае, скорость-вращательного движения может быть разложена на тангенциальную и радиальную составляющие, но последняя обычно мала и ею можно пренебречь. Тогда те­ чение жидкости в камере закручивания можно рассматривать как потенциальное, котоцре вызывается стоком к соплу и по­ тенциальным вихрем. Однако это справедливо лишь для иде­ альной жидкости. Картина течения значительно усложняется при учете сил трения. Как показано Д. И. Тейлором [193], в этом случае у стенок камеры закручивания образуется затор­ моженный пограничный слой, перемещающийся внутрь каме­ ры вследствие наличия радиального градиента давления. Не­ обходимо отметить, что существование этого движения можно заметить визуально во время опытов с прозрачными форсун­ ками. Решение дифференциальных уравнений пограничного слоя было выполнено Д. И. Тейлором лишь в предположении чистого вращательного движения, тогда какгв действительно­ сти в центробежных форсунках скорость в пограничном слое имеет также и осевую составляющую, которая возрастает по мере приближения к соплу. Для такого случая решения урав­ нений пограничного слоя нет [165]. Следовательно, движение жидкости в ^тангенциальной форсунке имеет очень сложный вид и в настоящее время не может быть описано математиче­ ски. Точно также, движение взвешенных частиц в камере за­ кручивания форсунки, обусловленное силами гидродинамиче­ ского сопротивления, представляет аналитически неразреши­ мую задачу и может быть изучено лишь опытным путем.

Наблюдать процесс засорения наиболее удобно на. форсун­ ках, ■выполненных из обычного или органического стекла. В качестве взвешенных частиц можно использовать стальные, деревянные и пластилиновые шарики диаметром от 2 до 6 мм, а также пластинки из жести, алюминия, цинка, меди и дере-

64

ва размерам 5X5 мм и мм., толщиной от 0,14 до 1,0 мм. Результаты такого наблюдения за форсункой 1пл1 — 5,1, геометрические параметры которой примерно такие же как у типовых форсунок Кд1002-25, сводятся к следующему..1

Характер движения твердых частиц в камере закручива: ния зависит от ихформы, плотности, площади поперечного' се­ чения (парусности), а для плоских частиц также и от их тол­ щины. Легкие частицы, плотность которых меньше, чем у во­ ды, независимо от формы и размеров сразу же после попада-' ния в форсунку «всплывают» к ее центру на границу воздуш­ ного вихря, ориентируясь длинной осью вдоль оси форсунки, и мгновенно движутся к соплу. Время пребывания таких час­ тиц в камере закручивания исчисляется долями секунды. Нуж­ но отметить, что движение тяжелых частиц зазисит от режи­ ма течения жидкости. '

■При .малых давлениях (0,3 кг/см2 и менее) силы гидроди­ намического сопротивления малы и не удерживают частицу в объеме камеры закручивания. С увеличением давления ин­ тенсивность движения частиц возрастает, однако принципи­ альной разницы в характере движения при изменении давле­ ния, например, от 1 кг/см2 до 2 кг/см2 нет.

Тяжелые частицы, попадая в форсунку, в первый момент стремятся к стенкам камеры закручивания, а дальнейшее их движение зависит от указанных выше факторов. Так, пласти­ линовые шарики находятся в объеме камеры 1-УЗ секунды (не-, зависимо от диаметра) и затем перемещаются к соплу. Сталь­ ные шарики вообще не подходят к соплу и вращаются в камере закручивания в течение всего времени работы форсунки. Плоские частицы из алюминия движутся к соплу практически мгновенно (после попадания в форсунку, стальные и медные пластинки находятся в камере до 30 секунд. Следует отме-. тить, что тонкие частицы толщиной 0,14 мм очень часто «при­ ляпают» к стенкам камеры закручивания и сохраняют такое положение иногда несколько минут.

Таким образом, в типовой форсунке все твердые частицы, кроме стальных шариков, после попадания в камеру закру­ чивания через короткий промежуток времени (не более 1 ми­ нуты) движутся к соплу и в зависимости от размеров или перекрывают его, или -покидают форсунку. При этом частицы, с большей парусностью находятся в объеме форсунки мень-, шее время.

Наиболее эффективный метод борьбы с засорением форсу-

3-319 65

\

ток заключается в накоплении твердых взвешенных частиц в объеме камеры закручивания.

Этот способ не исключает полностью засорения форсунок, однако позволяет в несколько раз увеличить время их работы и сократить число чисток камер орошения, что дает большой экономический эффект.

Теоретические предпосылки этого способа борьбы с засоре­ нием форсунок могут быть представлены следующим образом/ В камере закручивания форсунки взвешенная частица нахо­ дится иод действием двух сил: осевой, направленной к соп­ лу, и тангенциальной. Однако на участке стока в сопло про­ исходит. разложение тангенциальной составляющей и в ре­ зультате возникает продольная сила, направленная навстречу осевой. Меняя геометрию форсунки, можно создать такие ус­ ловия, что при любой ориентации взвешенной частицы в по­ токе продольная сила будет превышать осевую, и частица не сможет подойти к соплу, а будет вращаться в камере закру­ чивания в течение всего времени работы форсунки. Нетрудно заметить, что для создания требуемых условий следует при­ менять форсунки с большим значением геометрической ха­ рактеристики. Например, в форсунке 4пл1—4,9 пластилино­ вые шарики уже йе движутся к соплу, а время пребывания в камере закручивания тяжелых плоских частиц увеличивает­ ся до 10 минут и алюминиевых — до 1 минуты. В форсунке Зпл1—5,1 движутся к соплу только пластинки из алюминия, причем время их пребывания в камере возрастает до 54-10 минут, а в форсунке 6пл1—4,9 все частицы совершают только вращательное движение в пределах камеры закручивания. Следовательно, для накопления взвешенных частиц необходи­ мо применять форсунки с геометрической характеристикой порядка А= 44-8, 'при этом рекомендуемые значения А зави­ сят от плотности частиц, их формы и размеров. В частности, для сферических частиц требуемые значения А меньше, чем для плоских, а с уменьшением плотности частиц геометриче­ ская характеристика должна быть больше. Практически для камер орошения кондиционеров следует применять форсунки

возрастает с увеличением диаметра сопла и камеры закручи­ вания и с уменьшением диаметра тангенциального канала'. Выше уже отмечалось, чтопри увеличении диаметра сопла уменьшается поверхность тепло- и массопереноса и ухудшает­ ся эффективность камеры орошения. По этим причинам ис-

,66

Т а б л и ц а 5

Как следует из ряда экспериментальных работ, при оди­ наковых размерах (rBX; RK; гс ) и давлении двухсторонние форсунки (геометрические параметры которых приведены в табл. 5) по сравнению с односторонними имеют несколько большую производительность и угол факела распыла (рис. 19). Увеличение расхода зависит от геометрической ха­ рактеристики форсунки и составляет всего 2-ь2,5%. Наблюде­ ния на прозрачных форсунках показали, что такое незначи­ тельное изменение расхода объясняется увеличением пример­ но в два раза диаметра воздушного вихря при двухстороннем распылении и, .следовательно, уменьшением толщины пленки жидкости на выходе из сопла. Обнаруженный эффект имеет важное практическое значение: форсунки двухстороннего рас­ пыления обеспечивают более тонкий распыл жидкости. Ана­ логичный результат можно получить при увеличении геомет­ рической характеристики форсунки. Это позволяет с физи­

с удвоенной геометрической характеристикой. Если такое предположение верно, то расчетную геометрическую харак­ теристику двухсторонней форсунки можно представить сле­ дующим образом:

где Api—расчетная геометрическая характеристика односто­ ронней форсунки, определяемая по формуле (2.19).

Расчетные значения коэффициентов расхода, полученные с помощью АР2, отличаются от фактических не более, чем на 8% (ри,с. 20). Производительность двухсторонних форсунок определяется по формуле (2.11) с учетом удвоенной площади сопла. Используя расчетную геометрическую характеристику Ар2, можно обобщить опытные данные и по определению уг­ ла факела распыла (рис. 21), причем аналитическая зависи­ мость 2a<f>=f(A) имеет такой же вид, .что и (2.27), но вместо

АР 1 используется характеристика Ар2. Интересно отметить, что отклонения экспериментальных точек от теоретической кривой на рис. 20 почти в точности идентичны тем, которые наблюдаются для односторонних форсунок (рис. 7). Это еще раз косвенно подтверждает правильность перехода от Ар2 к Apr

71

Рис. 20. Зависимость рФ от Ар2 для форсунок .двухстороннего. распыления

Рис. 21. Зависимость угла факела распыла двухсторонней фор­ сунки от расчетной геометрической характеристики:

О *- опыты авторов; — по формуле 2.27

Для выяснения изменения производительности двухсто­ ронней форсунки при закрытии одного сопла был проведен следующий опыт. В первом случае, заглушка устанавлива­ лась в .месте перехода от ка!меры закручивания к стоку в соп­ ло, т. е. 'внутренняя геометрия ,в этом случае точно соответ­ ствовала геометрии односторонней'*форсунки. Во втором слу-

72

чае заглушалось .непосредственно само-сопло, тем самым по­ лучалась односторонняя форсунка с увеличенным объемом камеры закручивания и с задней стенкой в форме полусфе­ ры. Оказалось, что производительность форсунки в обоих слу­ чаях определяется только геометрической характеристикой > А р1 и практически не зависит от способа*закрытия сопла.

В табл. 6' на прирере форсунки 7,пл2, оснащенной распы­ лителями используемыми для односторонних форсунок, по­ казано влияние, формы стока .в сопло на гидравлические ха­ рактеристики. Как -отсюда видно, результаты идентичны тем, которые наблюдаются при испытании односторонней форсун­ ки 7пл1.

Поскольку форсунки двухстороннего распыления имеют большую геометрическую характеристику, то они должны быть .меньше подвержены засорению. Действительно, напри­ мер, в форсунке 2пл2—5,1 к соплу движутся только алюми­ ниевые пластинки, а в форсунке Зпл2—6,1 «все частицы вра* щатотея в камере закручивания и не'подходят к соплу. Уста­ новлено, что в объеме камеры закручивания двухсторонних форсунок можно накапливать до 4—(6 пластинок размером 5X10 мм>причем производительность и угол факела распы­ ла в этом улучае почти не изменяются [147].

При вращении в камере закруйивания частицы ‘подверга­ ются значительному механическому воздействию. На рис. 22 показана фотография пластинок из алюминия толщиной 1 мм до и после вращения в камере закручивания в течение одно­ го часа. Как видно, поперечные размеры пластинок резко уменьшились и они приняли овальную форму. Следователь­ но, частицы с небольшой механической прочностью (ржав­ чина, различного рода налеты) будут просто разрушаться в камере закручивания.

73

&