employee
Belarus
The article defines the scope of liquid sprayers in modern technologies. The mechanism of formation of drops from a liquid jet and the parameters of the medium that affect the size of these drops are described. The basic requirements for nozzles and other sprayers used in spray dryers are characterized. It has been established that the most important characteristics of their work are the uniformity of the spray and the dispersion of the drops. A technique for calculating the efficiency of spraying based on experimental data using the irrigation non-uniformity coefficient is proposed. Methods for estimating the dispersion and distribution of droplets produced in a nozzle are described. A modernized design of the nozzle with a swirler and a distributor for use in slip atomizers to produce press powder is proposed. Comparative studies of this nozzle are carried out in order to assess the uniformity of its spray and the dispersion of drops according to the above methods. Photographs of the results of spraying by two proposed methods are presented. Analysis of the research results shows that the modernized nozzle has a significant advantage in comparison with traditional designs in terms of its main performance characteristics. This provides the prospects for its use in spray dryers, in particular, in the production of high quality ceramic press powder.
spray dryer, slip, nozzle, spray uniformity, swirl, drop, dispersion
Введение. Распыление жидкости широко применяется в современной технологии при сжигании жидкого топлива, сушке, мокрой очистке газов и других процессах [1, 2]. В большинстве случаев оно осуществляется с помощью форсунок или быстровращающихся дисков. Распад струи на капли и дробление капель происходит на выходе струи из форсунки под действием турбулентных пульсаций и сил взаимодействия распыляемой жидкости со средой, в которую она впрыскивается. Размер капель зависит от плотности среды, скорости струи, геометрических параметров распыляющего устройства, вязкости, плотности и поверхностного натяжения распыливаемой жидкости.
Для создания надежно работающих агрегатов немаловажное значение имеет выбор конструкции распылительных устройств. Известно множество конструкций форсунок для распыления жидкостей и только немногие из них завоевали прочное место в промышленной практике [3-6].
В последние десятилетия, когда резко возросли мощности установок, созданы новые технологические методы строительного производства, которые обеспечивают не только интенсификацию процесса, но и наилучшее качество получаемых продуктов. Существенно повысились требования к пределам регулирования единичных форсунок по расходу и качеству распыления, создан ряд совершенных конструкций, призванных обеспечить надежную работу агрегатов.
Шликерные атомизаторы или распылительные сушилки предназначены для удаления влаги и получения готовой продукции в виде тонкодисперсного порошка. В промышленности строительных материалов эти аппараты применяются для получения из суспензии порошка для прессования плитки.
В настоящее время при производстве керамической плитки используются атомизаторы нескольких типов, одним из отличий которых является использование центробежных распылителей (форсунок), с различными завихрителями [7, 8]. В процессе эксплуатации некоторых из них был выявлен ряд проблем. В первую очередь это проявилось в низком качестве получаемого пресс порошка, заключающемся в несоответствии частиц требуемым размерам. Кроме того, зачастую наблюдалось налипание суспензии на элементах сушилки и выпадение крупных агломератов вследствие неравномерности распыления. Поэтому было предложено провести комплексный анализ качества распыления суспензии основных разновидностей центробежных форсунок, используемых при получении керамического пресс порошка, наряду с новой, более эффективной форсункой с завихрителем.
Материалы и методы. В первую очередь были проведены исследования по определению распылительной способности (равномерности распыла) форсунок на трех расходах. Установка для изучения производительности форсунок и исследования равномерности распыла жидкости представлена на рис. 1.
Для определения расхода воды через ротаметр на установке имеется тарировочный график. Блок мерных цилиндров представляет собой кассету, в которую вертикально установлены металлические цилиндры. В ее верхней части имеется общая крышка с рычагом, что позволяет быстро закрывать и открывать одновременно все цилиндры. С целью предотвращения уноса брызг из рабочей емкости и удобства работы на установке вокруг рабочей емкости установлена обечайка из оргстекла.
Для оценки эффективности распыления на основании опытных данных рассчитывался коэффициент неравномерности орошения [9, 10]:
(1)
где Vср – среднее количество жидкости в цилиндре, мл; Vi – количество жидкости в i – м цилиндре, мл; n – число цилиндров. Как видно из (1), для лучшего распыления K должен стремиться к 1.
Рис. 1. Схема установки для исследования форсунок
1 - трубопровод с исследуемой форсункой; 2 - рабочая ёмкость; 3 - блок мерных цилиндров; 4 - ротаметр;
5 - вентиль.
Далее оценивали дисперсность полученных капель с помощью метода улавливания капель в жидкость и метода отпечатков [10 – 12].
Первый этап подразумевал собой улавливание капель на более вязкой жидкости, которая не смешивается с исследуемой и не растворяется в ней («Литол-24»). Тонкий слой смазки наносится на прозрачную пластинку из оргстекла. Далее пластина опускается на определенный уровень так, чтобы капли попали на нее. Попавшие на слой смазки капли измеряют под микроскопом. На каждом расходе опыт повторяется по три раза с занесением данных в таблицу.
Вторая часть эксперимента заключалась в улавливании капель на металлической пластинке, которая была покрыта сажей. Она находилась в прозрачной трубе, в которой по горизонтали с одинаковым интервалом сделаны одинаковые отверстия. Исследования проводились на трех расходах, таких же, как и в первом опыте. Капли воды попадали на пластину за счет проворачивания трубы. После пластина извлекалась и размер капель также рассматривался под микроскопом.
Этот метод является одним из простейших, однако возникает вопрос о том, не происходит ли при ударе капли о слой сажи столь сильной деформации, что измеренный отпечаток капли не соответствует истинному ее диаметру. Экспериментально установлено [10], что для капель диаметром 200 мкм и выше толщина слоя сажи должна быть приблизительно 0,3–0,5 мм. В этом случае относительная погрешность измерения диаметра капли составит 2–3%.
Основная часть. Из всех разновидностей механических форсунок наиболее широкое применение находят центробежные форсунки [7-9]. В таких форсунках движущаяся под давлением жидкость закручивается в завихрителе с тангенциально расположенными каналами (ось каналов перпендикулярна или размещена под углом к оси форсунки, но не пересекается с ней) и, интенсивно вращаясь в камере, поступает в сопло, на выходе из которого распадается на мелкие капли, приобретая форму конуса. В зависимости от типа форсунки конус может быть либо полым с кольцевым распределением капель в секущей плоскости, либо полностью заполненным с круговым распределением капель. Для образования факела жидкость подводится в форсунку под давлением 0,3-2 МПа. Диапазон изменения давления зависит главным образом от требуемой дисперсности распыла, физических свойств жидкости и размеров дозирующих элементов.
В пневматических форсунках поток жидкости дробится за счет кинетической энергии высокоскоростного потока газа или пара [11, 12]. Эти форсунки условно можно разделить на две группы: низкого и высокого давления. К первой группе относятся форсунки с избыточным давлением распыливающего агента до 10 кПа, ко второй – от 100 до 1000 кПа.
При одинаковой производительности энергетические затраты в случае применения пневматических форсунок выше, чем при использовании механических. Однако первые позволяют получать более тонкий распыл жидкости, поэтому они применяются для сжигания мазута, при увлажнении и охлаждении газового потока.
В качестве объектов исследования были выбраны три механические форсунки: с плоским распылителем (рис. 2, а), с винтовым распылителем (рис. 2, б) и модернизированная форсунка с завихрителем (рис. 3).
Рис. 3. Модернизированная форсунка с завихрителем
а) форсунка в разрезе; б) вид слева завихрителя
1 – штуцер; 2 – корпус; 3 – распределитель; 4 – пластина; 5 – концентратор; 6 - завихритель
В исследуемой новой конструкции форсунки поток жидкости сначала распределяется по сечению более равномерно с помощью распределителя 3, затем глухая пластина 4 направляет поток к тангенциальным входам завихрителя 6. Концентратор 5 собирает полученную взвесь по оси устройства для распыления. Таким образом, данный вариант форсунки имеет более сложную конструкцию по сравнению с традиционно используемыми, но позволяет достичь большего качества распыления.
Для оценки равномерности орошения было выбрано пять форсуночных распылителей: по 2 типоразмера плоского и винтового и модернизированная конструкция. Исследования проводили на трех расходах жидкости Q: 357 кг/ч, 378 кг/ч и 400 кг/ч. На каждом расходе опыт повторяли по три раза и данные заносили в сводную таблицу. Затем определялось среднее значение Vi для каждого мерного цилиндра по результатам трех опытов. После рассчитывался коэффициент неравномерности орошения K для каждой форсунки по формуле (1).
Здесь приведем результаты исследований для модернизированной форсунки (табл. 1).
Таблица 1
Результаты исследования равномерности распыла модернизированной форсунки
|
№ п/п |
Vi при Q = 357 кг/ч, мл |
Vi при Q = 378 кг/ч, мл |
Vi при Q = 400 кг/ч, мл |
Vi среднее, мл |
Отклонение от Vср, % |
|
1 |
2.8 |
3.5 |
3 |
3.1 |
99.7 |
|
2 |
2.9 |
3 |
3.4 |
3.1 |
99.7 |
|
3 |
3.8 |
3 |
3.8 |
3.5 |
112.5 |
|
4 |
4 |
4.8 |
4.4 |
4.4 |
141.5 |
|
5 |
3.9 |
4.8 |
4.5 |
4.5 |
144.7 |
|
6 |
1.6 |
2.5 |
2.2 |
2.2 |
70.7 |
|
7 |
0.8 |
2.5 |
1 |
1 |
32.2 |
При полученном Vср=7,18 мл коэффициент неравномерности орошения составил K=108.
Для других исследованных форсунок коэффициент K колебался значительно и находился в пределах от 164 для форсунки с винтовым распылителем и диаметром центрального отверстия 2 мм до 350 для форсунки с плоским распылителем и диаметром центрального отверстия 3 мм. Как видно, с точки зрения равномерности орошения предлагаемая новая форсунка показала наилучшие результаты.
Отметим, что равномерность орошения особенно важна для форсунок с образованием крупных капель, поскольку, будучи неравномерно расположенными, они могут объединяться и выпадать из потока, нарушая технологический процесс и понижая качество продукта на выходе [11, 12].
Далее были проведены исследования качества распыления двумя указанными выше методами. Следует отметить, что для любого процесса дисперсность распыляемых капель является не менее важным показателем, чем равномерность распыла. Для распыления суспензии в атомизаторах, в отличие от сжигания топлива, размер капель должен быть приближен к 1 мм, а излишне тонкие капли (менее 0,1 мм) негативно сказываются на качестве пресс-порошка [7, 14].
Целью исследований было установить количество полученных капель в каждой форсунке и их размер. Опыты проводились для тех же трех расходов что и предыдущий и количество капель росло пропорционально расходу. Поэтому здесь представлены данные для наибольшего расхода, равного 400 кг/ч. Так же как и в предыдущем опыте, измерения повторялись по 3 раза для каждого случая и среднее значение заносилось в таблицу.
В табл. 2 представлены результаты исследования методом улавливания капель в жидкость. В учет здесь взят участок, который попадает в объектив микроскопа размером 1,6 х 1,6 см. Среднее значение количества капель округлялось до целого. Количество капель размером 0,1 мм и менее оценивалось приблизительно из-за большого их количества и сложности визуального подсчета.
Таблица 2
Результаты исследований дисперсности капель методом улавливания в жидкость
для модернизированной форсунки
|
Размер капель, мм |
Количество капель |
Среднее количество капель |
Суммарное количество капель |
||
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|||
|
3 |
- |
1 |
- |
1 |
3 |
|
2 |
14 |
10 |
13 |
12 |
37 |
|
1 |
10 |
7 |
12 |
10 |
29 |
|
0,5 |
5 |
7 |
3 |
5 |
15 |
|
0,1 |
>10 |
>10 |
>10 |
- |
- |
Для сравнения в табл. 3 представлены данные исследований тем же методом для форсунки с винтовым распылителем и диаметром центрального отверстия 2 мм, показавшей самые близкие результаты к исследуемой в опыте по равномерности орошения.
Таблица 3
Результаты исследований дисперсности капель методом улавливания в жидкость
для винтовой форсунки
|
Размер капель, мм |
Количество капель |
Среднее количество капель |
Суммарное количество капель |
||
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|||
|
2 |
3 |
4 |
3 |
3 |
10 |
|
1 |
4 |
2 |
3 |
3 |
9 |
|
0,5 |
2 |
1 |
1 |
1 |
4 |
|
0,1 |
>10 |
>10 |
>10 |
- |
- |
Наблюдаем, насколько ниже эффективность распыления у винтовой форсунки по сравнению с исследуемой. Количество капель в несколько раз меньше, а их размер смещен в сторону 0,1 мм и менее.
Далее рассмотрим результаты исследования качества распыления методом отпечатков. Установка для исследований была сконструирована согласно методике [10, 12] и изображена на рис. 2.
Рис. 4. Установка для реализации метода отпечатков
В табл. 4 представлены результаты исследований эффективности распыления модернизированной форсунки.
Таблица 4
Результаты исследований дисперсности капель методом отпечатков
для модернизированной форсунки
|
Размер капель, мм |
Количество капель |
Среднее количество капель |
Суммарное количество капель |
||
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|||
|
3 |
1 |
3 |
2 |
2 |
6 |
|
2 |
7 |
6 |
6 |
6 |
19 |
|
1 |
5 |
4 |
4 |
4 |
13 |
|
0,1 |
7 |
4 |
4 |
5 |
15 |
Для сравнения в табл. 5 представлены данные исследований тем же методом для форсунки с винтовым распылителем и диаметром центрального отверстия 2 мм.
Таблица 5
Результаты исследований дисперсности капель методом отпечатков
для винтовой форсунки
|
Размер капель, мм |
Количество капель |
Среднее количество капель |
Суммарное количество капель |
||
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|||
|
1,5 |
4 |
4 |
3 |
4 |
11 |
|
1 |
4 |
3 |
3 |
3 |
10 |
|
0,5 |
3 |
4 |
3 |
3 |
10 |
|
0,1 |
6 |
7 |
6 |
6 |
19 |
Здесь тенденция предыдущего опыта сохраняется, хоть и менее выраженная: Суммарное количество капель больше для модернизированной форсунки, а размеры их крупнее.
Также следует отметить значительное уменьшение количества уловленных пластиной капель наименьшего размера (0,1 мм и менее), как и уменьшение количества уловленных капель для модернизированной форсунки в целом. Поскольку условия эксперимента были теми же, можно сделать вывод, что для данных опытов удерживающая способность вязкой среды выше, чем сажи. Однако второй метод дает более четкие отпечатки и позволяет лучше оценить размеры капель.
Ниже представлены увеличенные фотографии результатов распыления: после применения метода улавливания в жидкость для модернизированной форсунки с завихрителем и для форсунки с винтовым распылителем (рис. 5, а и б соответственно), а также после применения метода отпечатков (рис. 5, в).
Рис. 5. Фотографии результатов распыления
а) метод улавливания в жидкость, модернизированная форсунка; б) метод улавливания в жидкость, винтовая форсунка; в) метод отпечатков
Фотографии подтверждают результаты исследований: видно, насколько большее количество капель образуется в модернизированной конструкции. Также заметно, что при попадании на сажу капли имеют более четкую границу, о чем упоминалось выше.
Выводы
- Предложена модернизированная конструкция форсунки с завихрителем для использования в башенных распылительных сушилках.
- Установлено, что использование модернизированной форсунки позволяет достичь более равномерного распределения капель по радиусу в сравнении с базовыми образцами. Удалось получить коэффициент неравномерности орошения K=108, что является прекрасным показателем.
- Показано, что модернизированная форсунка с завихрителем позволяет получить большее количество капель в требуемом для распылительных сушилок диапазоне размеров в 1,5 – 3 раза в зависимости от метода исследований.
- Таким образом, исследуемая форсунка с завихрителем может быть эффективно использована в башенных распылительных сушилках для получения пресс-порошка в производстве керамической плитки.
1. Kasatkin A.G. Basic processes and apparatuses of chemical technology [Osnovnie proceccy i apparaty himicheskoi tehnologii]. M.: Alliance. 2004. 751 p. (rus)
2. Dytnersky Y.I. Processes and apparatuses of chemical technology [Proceccy I apparaty himicheskoi tehnologii] : in 2p. M.: Chemistry, 2002. P. 2: Mass transfer processes and apparatuses [Massoobmennye proceccy i apparaty]. 368 p. (rus)
3. Silenok S.G, Borshchevsky A.A., Gorbovets M.N., Meliya G.S., Turenko A.V., Eler E.A. Mechanical equipment of enterprises of building materials products and structures: textbook for universities [Mehanicheskoe oborydovanie predpriyatiy stroitelnyh materialov i izdeliy: ychebnik dlya vyzov]. M.: Mechanical Engineering, 1990. 416 p. (rus)
4. Ilevich A.P. Machinery and equipment for factories for the production of ceramics and refractories [Mashiny I oborydovanie dlya zavodov po proizvodstvy keramiki I ogneyporov]. M.: Mechanical Engineering, 1979. 355 p. (rus)
5. Bylavin I.A. Machines and automatic lines for the production of fine ceramics [Mashiny i avtomaticheskie linii dlya proizvodstva tonkoi keramiki]. M.: Mechanical Engineering, 1979. 325 p. (rus)
6. Sevastianov V.S., Bogdanov V.S., Dubinin N.N., Uralsky V.I. Mechanical equipment for the production of refractory non-metallic and silicate materials and products [mehanicheskoe oborydovanie dlya proizvodstva tygoplavkih nemetallicheskih i silikatnyh materialov i izdeliy]. M.: INFA-M, 2014. 432 p. (rus)
7. Belopolski M.S. Drying of ceramic suspensions in spray dryers [Sushka keramicheskih suspenziy v raspylitselnih syshilkah]. M.: Mechanical Engineering, 1972. 284 p. (rus)
8. Paji D.G., Kariagin A.A., Lamm E.l. Spraying devices in the chemical industry [raspylivauschie ystroistva v himicheskoi promyshlennosti]. M.: Chemistry, 1975. 375 p. (rus)
9. Kafarov V.V. Fundamentals of mass transfer [Osnovy massoperedachi]. M.: Higher School, 1979. 439 p. (rus)
10. Sazjin B.S. Fundamentals of drying techniques [Osnovy techniki syshki]. M.: Chemistry, 1984. 320 p. (rus)
11. Lykov M.V. Drying in the chemical industry [Sushka v himicheskoi pomyshlennosti]. M.: Chemistry, 1970. 432 p. (rus)
12. Frolov V.F. Modeling of drying of dispersed materials [Modelirovanie syshki dispersnyh materialov]. L.: Chemistry, 1987. 206 p. (rus)
13. Mikhaleva T.V. Methodological justification of the unit and the spray drying process in non-stationary aerodynamic flows [Metodologicheskoe obosnovanie agregata i processa raspylitelnoi syshki v nestatsionarnyh aeroninamicheskih potokah]: dis. Candidate of Technical Sciences: 05.02.13 - Machines, units and processes (by industry). Orenburg, 2013. 161 p.
14. Levdanski E.I. Calculation of industrial installations for drying bulk and lump materials [Raschet promyshlennyh ystanovok dlya syshki sipychih I kyskovyh materialov]. Minsk, BSTU, 1992. 83 p. (rus)
15. Ermilov P.I. Dispersion of pigments: Textbook for construction universities [Dispergirovanie pigmentov: Ychebnik dlya stroitelnyh vyzov]. M.: Mechanical Engineering, 1971. 300 p. (rus)
