На правах рукописи 

РГ6  од 

t с  Е:Г  Г 

Суханова liiraa Ивановна 

ТЕЧЕНИЕ И ДИСПЕР1^ИР0ВАНИЕ ЖИДКОСТИ В УСТРОЙСТВЕ 

УДАРНОГО ТИПА 

05.17.08 ­Процессы  и аппараты химической технологии 

АВТОРЕФЕРАТ 

диссертации па соискание ученой степени 

кандидата техн1гческих наук 

М^ 

Киров  ­2000 

Работа  выполнена на кафедре промышленной эколопш и безопасносту 

Вятского государственного технического университета. 

Научный руководитель  доктор технических наук, 

профессор Флсгентов И. В. 

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, 

профессор Ппиранов Ф.М. 

доктор технических наук, 

профессор Сычугов Н.П. 

Ведущая организация  Акционерное общество 

Научно­исследовательский и 

проектный институт 

БИОТИН 

Защхгга состоится «i£j> ^^4^^Ш/2<./1  2000 г. в  / ^  часов на  заседанш 

диссертационного  совета  К064.69.02  в  Вятском  государственном  техничС' 

ском университете по адресу: 610000, г. Киров, ул. Московская, 36. 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вятского государст' 

венного технического угашерситета. 

Автореферат разослан «^)>  Л^^Уу^.^  20001 

Уче1шй секретарь 

диссертационного совета 

кандидат тех}Н1ческих наук о 

Б.И. Дегтерев 

А  J  л  J  /  I 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ 

Актуальность  проблемы.  Форсунки  ударно­струйного  действия  нахо­

дят  применение  в технологических  процессах  химической,  энергетической, 

пищевой  и ряда других  отраслей  промышленности.  Наибольшее  распростра­

нение устройства данного типа пол>'чили  в качестве  распьиителей  жидкосттт 

в аппаратах  ммфой  очистки газов. 

Интенсификация  современных  технологических  процессов  привела  не 

только к увеличению объемов вредных выбросов  в атмосферу, но и к появле­

нию  совершенно  новых  типов  химических  веществ  и  соединений,  опасных 

для человека и биосферы. Номенклатура выпуска  химического завода  с пере­

довой технологией,  обеспечивающей  комплексную  переработку  сырья,  стала 

состоять  из  тысяч  позиций,  причем  многие  из  изготавливаемых  продуктов 

горючи, чрезвычайно токсичны  и ядовиты.  Поэтому проблемы заш1пы  атмо­

сферы  составляют  обширную  область  исследований  на стыке  наук;  химиче­

ской технологии,  технологии  маш1июстроения,  экологии,  метеорологии,  ме­

дицины, биологии, математики, фнзрпси и т. д. 

Для очистки  отходащих  про.чышленных  газов  применяются  различные 

.методы,  наибольшее  распространение  из  которых  полу^гил  абсорбционный 

(MOKpbH'i) способ очистки.  Надежная  и эффективная  работа  мок­рых пылеуло­

вителей  существенно  зависит  от  правильного  выбора  распыливаюших  уст­

ройств. 

В  настоящее  время  в  качестве  распылителей  жидкости  в  аппаратах 

мокрой  очистки  газов  находят  применение  ударно­струйные  форсунки  с  от­

ражателями  криволинейной  формы,  способствтощими  образованию  объем­

ного  и  мелкодисперсного  факела  капель  с  большой  межфазной  поверхно­

стью.  Эти устройства  отличаются  простотой  конструкции,  надежностью  при 

эксплуатации  и  низкой  энергоемкостью.  Однако  они  обладают  рядом  суще­

ственных недостатков. 

Цель  работы.  Разработка  конструкщ1и  диспергирующего  устройства 

ударного  типа, уч1Ггывающего  недостатки  существующих  форсунок  удар1ю­

струнного действия. 

В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: 

­  на  основе  анализа  конструкций  ударно­струйных  форсунок  разрабо­

тать диспергирующее устройство ударного типа; 

­  провести теоретические  и экспериментальные  исслсдовшшя  гидроди­

намических  параметров  пленочного  течения  /кидкости  по  поверхности  не­

подвижных тел  вращения различной  формы при растекании  струи  кольцево­

го сечения; 

­  провести  экспериментальные, исследования  процесса  диспергирова­

ния  при  работе  устройства  ударного  пгаа  и  получ1ггь  зависимости  средних 

размеров  капель от  гидродинамических  параметров  жидкости  и  геометр1гче­

CK1IX размеров устройства. 

Научная новизна: 

­  получены  теоретические  зависимости  для  определения  параметров 

апеночного  течения  по  поверхности  неподвижных.тел  вращения  различной 

формы при растекании струи кольцевого сечения; 

­  получены  зависимости  среднего  диаметра  капель  от.гидродинамиче­

ских  параметров  жидкости  н от  геометрических  размеров  диспергирующего 

устройства. 

Практическая  ценность.  Разработанное  днспергарующее  устройство 

ударного  типа  может  быть  использовано  для  улучшения  качества  распьита 

жидкости  в  различных  технологических  процессах,  например,  в  аппаратах 

мокрой  очистки  газов.  Устройство  находится  на  стадии  внедрения  при  ре­

конструкщ»! системы  распьип1ва]иия воды  в золоуловителе  МС­ВТИ  Киров­

ской  ТЭЦ­5  и на  биофильтрах  очистных  сооружений  п.  Кумены  Кировской 

области. 

На защиту выносятся. 

­ конструкп(вная схе.ма диспергирующего устройства ударного типа; 

­  теоретические  зависимости  для  определения  параметров  пленочного 

течения  по  поверхности  неподвижных  тел  вращения  различной  формы  при 

растекании струп кольцевого сечения; 

­  функциональные  зависимости  средних  диаметров  образующихся  ка­

пель  от  п1дродннам1Р!еских  параметров  жидкости  и  геометрических  разме­

ров диспергарующего  устройства. 

Апробация  работы.  Результаты  работы  докладывались  на  научно­

технических конференциях Вятского государственного технического  универ­

ситета  «Наука­производство­технология­экология»  (г. Киров,  1999, 2000 гг.), 

на наушо­практическои  конференции  «Региональные  и .м>п1иципальные про­

блемы  пр1фОДопользован11я»  (г.  К1фово­Чепецк,  2000  г.),  в  виде  стендовых 

докладов  прелставлялнсь  на  Международных  нау'1но­практи'1еских  конфе­

ренциях  «Охрана  атмосфер1гого  воздуха:  системы  мониторинга  и  зашты», 

«Человек и окружающая пр1фодная среда» (г. Пенза, 2000). 

Публикации  результатов!  По  .материалам  диссертации  опубликовано  6 

работ,  тезисы доклада  на конференшпо  «Тепло­  и массооб.мен  в химической 

технологии» (г. Казань) приняты в печать. 

Объем  работы.  Диссертация  состоит  из  введения,  трех  глав,  заключе­

ния, списка литературы  и приложения.  Работа  нхтожена  на  /ifV»  страницах 

машн1Юписного  текста,  иллюстр1фована \jr  рисунками,  библиографга 

включает /^f  наименования  отечественных  и зарубежных  источников. 

В  приложении  помещены  сведения,  подтверждающие  воз.можность 

реализации  работы  в про.мышлеиности,  а также табли'щые  данные  результа­

тов теорегаческих  и экспериментальных  исследований. 

6 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ* 

Во  введении  дан  краткий  обзор  современного  состояния  проблемы, 

обоснована актурпьность проводимой работы и ее цель. 

В первой  главе  приведен  обзор  летературных  источников  по  вопросу 

течения и диспергирования и<идкости в устройствах ударного типа. 

Приведены  схемы  ударо­струйных  форсунок  со  сплошным  отражате­

лем,  нашедингх  наибольшее  применение  в аппаратах  мок­рон  очистки  газов, 

выявлены  их недостатки.  Из обзора  конструктивных  схем  сделан  вывод, что 

диспсрпфующее  устройство  ударного  типа  должно  удовлетворять  следую­

щим  требования.м:  жесткое  соосное  крепление  сопла  и  отражателя,  наличие 

плавного  сопряжения  между  поверхностью  отражателя  и  соегшнительным 

стержнем; простота изготовления и мо1ггажа. 

До  настоящего  времени  теоретические  и  экспериментальные  исследо­

вания  пленочного  течения  и  диспергирования  жидкости  выполнялись  при 

растекании струи к­руглого сечения по поверхности  неподвижных тел враще­

Ш1Я различной формы, но не рассматривались  пщродинамические  параметры 

течения при растекании струи кольцевого сечения. 

Показа1Ю, что проведенные Газизуллиным  И.А.  исследования  устойчи­

вости  и режи\юв  течения  жидкости  могут  быть  использованы  при  рассмот­

рении  пленочного  течения  ж1щкости  по  поверхности  отражателя  дисперги­

рующего устройства с кольцевым сечением струи. 

Приведен  обзор  известных  теоретических  и экспериментальных  иссле­

дований неустойчивости и распада тонких пленок на капли. , 

Во второй главе описаны  конструкция  й принцип  действия  разработан­

ного диспергирующего устройства ударного ти'па (рисунок  i). 

* В руководстве работой принимал участие кандидат технических  наук, 

доце[гг Дегтерев Б.И. 

­ трубопровод; 2 ­  контрганка; 3 ­  сопло; 4 ­  стержень с крестовиной; 

5 ­  отражатель 

Рисунок  1 ­  Схема диспергирующего устройства ударного типа 

Рисунок 2 ­  Схема течения  /кидкости 

Проведено  теоретическое  и  экспериментальное  исследование  течения 

вязкой жидкости в диспергирующем устройстве ударного типа. 

Рассмотрено  установившееся  тонкослойное  течение  вязкой  жидкости 

по поверхности  отражателя диспергирующего  устройства  ударного типа  (ри­

су1юк 2). 

Для  определения  параметроэ  пленочного  течения  использовано  урав­

нение Бернулли дтя сечений 0­0 и  1­1  относительно плоскости сравнения  0­0 

и уравнение неразрыв1юстн; 

­Y­+Р = ­^^+'^Р+Р"^ ­PS= ,  (1) 

«о'Уо  =  t^<y„.  •  (2) 

Значен1и соо н dVi соответственно равны: 

® о  ^ ^ ( ' • / ­ ' • c i ) .  (3) 

« „  = 2лгИ  .  (4) 

Потери удельной энергии (напора) определяются из уравнеши 

АР  =  ^ ^ .  (5) 

Коэффищшнт  сопротивления  4" вычисляется  в  зависимости  от  режима 

течения жидкости. 

Переход ламинарного течен1и в турбулентное определяется  значением 

Re,,,, = 3,25•10^  (6) 

где 

Re.«  =  ­ Т 7  \ГТ.  (7) 

Избыточное  давление  жидкости  на  поверхность  отражателя  находится 

как сумму гидростатического давления и активного давления струи; 

pQ{"a  ­ u c o s a ) Р.^  = Pgh +  r i ТГ (8) 

После преобразований из (1) и (2) с учетом уравнений  (3)­(8)  получены 

выражения  для  определения  средней  скорости  течения  и  толщины  пленки 

жидкости: 

О cos а  Г Ocosa ­ .2 

20и„  J 2р

О 

2лг Ocosa  (1  Ocoscr  )  ,  , 20и„  ,  2о 

(10) 

На  основании  зависимостей  (9),  (10)  были  получены  выражения  для 

параметров  пленочного  течения  по  поверхности  отражателей  конкретной 

формы:"плоского,  конического, сферического, тороидального,  эллипсоидаль­

ного. 

Данные формулы могут быть использованы  для расчета средней скоро­

сти течения  и толщины  пленки жидкости по поверхности  отражателя  при на­

текании на него струи круглого сечения, если принять Гс\  = 0. 

В диссертащт  приведена  методика расчета  параметров  пленочного те­

чения с учетом  гидродинамических режимов. 

Для  проверки  полученных  теорет11ческ1гх зависимостей  были  проведе­

ны зксперимегггальные  исследовашм  по определению толщины  плешей жид­

кости на поверхности  отражателя дисперпфующего  устройства  ударного ти­

па. 

Экспериментальные  исследования  проводились  на  плоских  отражате­

лях  радиусом г =  (0,06­^0,12)  м  и  конических  отражателях  радиусом г  = 

(0,06­=­0,1) м с углом наклона а = 45"­г120". Радиус сопла г^ изменяли  в преде­

лах от 8,5­10"  м до  11,5­10"' м при внутреннем  радиусе сопла r^i ~  7, 5­10"' м. 

Расход  жидкости  не превышал О  = 625­10'* MVC.  В качестве  рабочей  жидко­

сти использовалась водопроводная вода при температуре (20+3) "С. 

10 

Полученные  экспериментальные  данные  достаточно  хорошо  согласу­

ются с результатами теоретических  исследований. 

Расхождения  между  опытными  значениями  толщины  пленки  и вычис­

ленными по выражениям (9), (10) не превышали  16 %. 

В  третьей  главе  «Экспериментальное  исследование  диспергирования 

жидкости устройством ударного типа» дан краткий обзор существ>тощнх ме­

тодов  определения  размеров  капель. Для  исследовшнм  дисперсности  приме­

нен метод, основанный  на  принципе пневматического  транспорта  с вычисле­

нием  по  Стоксу  наименьшего  размера  падающих  вертикально  вниз  капель. 

Этот  метод  позволяет  быстро  получить  кривую  распределения  размеров  ка­

пель  в факеле. Принимается, что распределение  капель  следует  закону  боль­

Ш1ГХ чисел и  может быть описано формулой  Розина­Раммлера. 

Экспериментальные  исследования  проводились  на  тороидальных  от­

ражателях  (рисунок  3). Диаметр  плоской  части  отражателя  изменялся  в пре­

делах 4i =  (80­ь120)  ­10"' м, радиус  к­рнвизны R = (4­^8)  10"' .м, радиус сопря­

же1шя R<;  = (8­нЗО) •10"'' м. Радиус сопла  г̂ . изменялся от 8,510''  м до  11,5­10' 

м при внутреннем радиусе  сопла r^i = 7,510''  м,  Расход жидкости не превы­

шал О = eiS'lO"* м.  Исследования  проводились  на  водопроводной  воде  при 

температуре (20±3) "С. 

R. 

•(Ј  D d„

Рисунок 3 ­  Тороидальньн! отражатель 

и 

при  экспериментальных  псследованнях  оценивалось  влияние  на  сред­

ний  арифметический  диаметр  капель  следующих  факторов:  расхода  жидко­

сти  О,  диаметра  соала  с4,  диаметра  плоской  части  отражателя d„, радиуса 

кривизны  отражателя R, радиуса  сопряжения  соединительного  стержня  и от­

ражателя Re. Результаты  исследований  представлены  в граф1гческом  виде  на 

рисунках 4, 5. 

100 

1,и  ­

0,9 

^  0,8 

с 3  0,7 

•а 

п л ­

1 1,и  ­

0,9 

^  0,8 

с 3  0,7 

•а 

п л ­

" " ^ ^ ^ 0  ' 

1,и  ­

0,9 

^  0,8 

с 3  0,7 

•а 

п л ­

1  "̂̂ \̂   ! 

1,и  ­

0,9 

^  0,8 

с 3  0,7 

•а 

п л ­ \  '  % \ 

0.5  ­ . 

300  500 

Q­IO*',  м^/с 

700

Рисунок 4 ­  Зависимость среднего арифметического диаметра капель от рас­

хода жидкости прис/^=  18­1б^ м;с/„ = 0,1  м;Л = 8­1(5̂  м; Я̂  = 30­16'' м 

Для  получения  зависимости  среднего  диаме1ра  капель  от  гидродина­

мических  параметров  жидкости  и  геометрических  параметров  устройства 

был  реализован  полный  трехфакторный  эксперимент.  В  качестве  функции 

отклика  выбран  средний  арифметический  диаметр  капель.  Значения  факто­

ров и интервалы  варь!фования  приведены  в таблице 1. 

Q = 53l,9  1б', м'/с; d,. = 18 мм, d„ = 80  мм, R  = 8 мм 

R  •  10  ,  М 

0,95 

15 

1 ,3­Q = 531,9­  10,1И  /c; 

1 ,3 ­ d „ ­  luu  MM, 

2  1,1 R = g  MM, 

•R^ =  3 0 M M 2  1,1 

R = g  MM, 

•R^ =  3 0 M M 

2  no J •^  u,y  ^ 

tF  0,7 tF  0,7 

0.5  •  1  . 

15  17  •  19 

d,  •  1 0 \ M 

21  23 

0,55  4 

70  90 

Рисунок 5 ­  Зависимость среднего арифметического диаметра капель от гео размеров диспергнруюшего устройства ударного типа 

13 

Таблица  1  ­ Значения  факторов  и  mrrepeaiu  варьирования 

Уровни 

Факторы 

Уровни  Толщина плетей 

жидкости, Ло­10', 

м 

Скорость пленки 

жидкости, Оо,  м/с 

Радиус к­ривизны 

отражателя, ЯТО ,̂ 

м 

Х\  • хг  •  • хз

Верхний (+)  0,35  ,5,5  8 

Основной  0,3  4,0  6 

Низкний (­)  0,25  2,5  4 

После  проведения  экспериментов  и  обработки  данных  полу^чено урав­

нение регрессии, адекватно описывающее опытные данные 

у = 1,079 + 0,093л:, ­  0,228x2 ­  0,090.гз. 

Уравнение регрессии в натуратьных велич1шах имеет вид 

rf,o  = 1,4 +  1,8­10'/7о ­  0,15«| ­  45Д. 

Размеры  средних  диаметров  капель  в  исследованной  области  измене­

ния параметров определяются следующим образом: 

dia =  l,180f/io;  3̂0 =  l,340^io;  3̂2 = 1,727^,0. 

Об111ие выводы. 

1.  На  основании  проведенного  анализа  научно­техн1ггескон  и  па­

те!­1таой  литературы  выявлена  необходимость  совершенствования  сущест­

вующих конструкций ударно­струйных  форсунок. 

2.  Предложена  и обоснована конструктивная  схема диспергирующе­

го устройства ударного типа. 

3.  Получены  аналитические зависимости аля  расчета  толщины  плен­

ки  и  средней  скорости течения  жидкости  по  поверхности  неподвижны.х  тел 

вращения различной формы при растекании струи кольцевого сечения. 

14 

4.  Получены  формулы  для  определения  параметров  пленочного  те­

чения для  отражателен  конкретной  формы:  алоского,  конического,  сфериче­

ского, тороидального, эллипсоидального. 

5.  Проведено  экспериментальное  исследование  толшины  пленки 

жидкости. Экспериментальные  данные достаточно хорошо согласуются  с ре­

зультатами теоретических расчетов. 

6.  Проведено  экспериментальное  исследование  диспергирования 

жидкости  устройством  ударного типа с тороидальным  отражателем.  Получе­

но  уравнение  регрессии,  адекватно  описывающее  зависимость  среднего 

диаметра капли от параметров  пленочного течения ж1шкости и геометрии от­

ражателя. 

7.  Полученные  результаты  мог>'т  быть  использованы  для  расчетов 

параметров  диспергируюатх  устройств  ударного  типа  и  аппаратов  мокрой 

очистки газов. 

Условные обозначения. 

d„ ­  дна.метр  плоской  части  отражателя,  .\i; Jio  ­  срешниТ  арифметиче­

ский диаметр капель, м; йщ ­ средний поверх}ЮСтный диаметр капель, м; t/jo ­

средний  объемный диаметр  капель,  м; </з: ­ средний  объемно­поверхностный 

диаметр капель (диаметр по Заутеру), .м; g  ­ ускорение силы тяжести,  .м/с"; h ­

толщина  1ьтенки  жидкости,  м;  /г» ­  толщина  пленки  на  границе  начала  дис­

пергирования, м;/> ­ давление  жидкости в coiine. Па; /;„,„­ ­ избыточное давле­

ние  па  поверхность  отражателя,  Па; Ар ­  потери  удельной  энергии.  Па; О ­

расход жидкости, м'/с; г ­ теку,Ш1Гй радиус отражателя, м; Гс ­ радиус сопла, м; 

Гс1 ­ радиус внутреннего стержня  сопла, м; R­  радиус кривизны  поверх1ЮСти 

отражателя,  м; Re ­  радиус  сопряжения  отражателя  и  соедтнггельного 

стержня,  .м;  Re  „,  = у^, ­ число Рейнольдса  пленки; и„­ скорость  жидко­

сти  в сопле,  м/с; и ­  средняя  скорость  течения  жидкости  в пленке,  м/с;  Ц) ­

15 

средняя  скорость течения  жидкости  в пленке нз  границе  начала диспергиро­

вания, м/с; Z ­  расстояние от отражателя до соата, м; а ­ угой между  вертика­

лью и направлением  скорости о, рад; ^­  коэффициент  сопротивления;  v­  ки­

нематический коэффициент вязкости ж)1дкости, м"/с; /?­ штотность жидкости, 

кг/м'; а­  проекция рабочей  площади диска на горизонтатьную  плоскость, м*; 

0,1, ­ площадь сечения пленки, м"; а>о ­ площадь сечения сопла, м . 

Основное  содержание  диссертации  изложено  в следующих  публикани­

ях. 

1.  Флегентов  И.В.,  Дегтерев  Б.И.,  Суханова  И.И.  Диспергирование 

жидкости  модифицированными  устройствами  «сопло­дмск»  //  Ежегодная  на­

учно­практическая  конференция  ВятГТУ  «Hayкa­пpoизвoдcтвo­тexнoлonLЧ­

экология»: Сб. материалов. ­  Киров, 1999, ­  Т.  1. ­ С . 122. 

2.  Флегентов  И.В., Дегтерев  Б.И.,  Суханова  И.И.  Гидродннами'шские 

параметры  диспергирующего  устройства  «сопло­диск»  //  Тепломассобмен­

ные процессы и аппараты  .химической технологии: Межвуз. тематический сб, 

научных трудов, ­ Казань, КГТУ,  1999, ­  С, 31­35, 

3.  Флегентов  И,В,, Дегтерев  Б,И,, Суханова  И.И, Течение  вязкой жид­

кости по поверхности  конуса /7 Ежегодная научпо­практическая  конференция 

ВятГТУ  «Наука­производство­технология­экологня»:  Сб,  материалов,  ­  Ки­

ров. 2000,­Т,  3, ­  С, 137­138, 

4.  Флегентов  И,В,,  Дегтерев  Б,И,,  Суханова  И,И,  Диспергирующее 

устройство  «сопло­диск» //  Международная  научно­практическая  конферен­

ция  «Охрана  атмосферного  воздуха:  Системы  мониторинга  и  зашиты»:  Сб, 

материалов, ­  Пенза, 2000, ­  С, 51­53, 

5.  Суханова  И,И,, Флегентов  И,В,, Дегтерев  Б,И, Теоретическое  и экс­

перименталыюе  исследование  течения  вязкой  жидкости  по  неподвижным 

поверхностям  тел вращения  //' б­я  науч1Ю­практическзя  конференция  «Регно­

16 

нальные и муниципальные  проблемы  природопользования»:  Сб. материалов. 

­  Кирово­Чепецк, 2000. С.  118­119. 

6.  Режимы  и устойчивость  пленочного  течения  в  модиф1щнрованном 

диспергирующем устройстве / Суханова И.И., Флегентов И.В., Деггерев Б.И., 

Царев  А.В.  //  III  Международная  научно­практическая  конференщ1я  «Чело­

век  и  окружающая  природная  среда»:  Сб.  материалов.  ­  Пенза,  2000.  ­  С. 

148­149. 

7.  Экспериментальное  исследование  диспергирования  жидкости  мо­

днфишфоваиными  устройствами  ударного типа  / Суханова  И.И.,  Флегентов 

И,В., Дегтерев Б.И., Царев А.В. // Всероссийская  научная  конференция «Теп­

ло­  и массообмен  в химической  тех1Юлогии».  ­  Казань, 2000  (принято  в пе­

чать).