Научные основы современных технологий распыливания воды в системах вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. 12 Форма первой свободной линии тока при различных углах раскрытия раструба
Из рис. 12 видно, что размеры вихревой зоны весьма значительны. Как показывают расчеты, ее протяженность для всех значений не намного меньше длины раструба l. Определены критические длины раструбов lкр при разных значениях угла раскрытия /. Если l< lкр, то мы имеем «короткий раструб» с одной отрывной зоной.
Приведенный анализ дает достаточно полное представление о кинематических характеристиках течений вблизи «коротких» и «длинных» раструбов с разными углами раскрытия. Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных конструкций входных участков различных вентиляционных агрегатов, тепломассообменных камер и увлажнительных устройств.
Шестая глава посвящена вопросам практического использования результатов исследований. В основу разработанной методики инженерного расчета ПВР для промышленных аппаратов распылительного типа заложены теоретические модели каплеобразования, что позволяет расчетным путем устанавливать структурные и режимные параметры ПВР, гарантирующие получение заданного качества распыла. На примере определения требуемых характеристик центробежного скруббера с ПВР из абразивного материала, проектируемого для очистки промышленных газовых выбросов, показана технология использования методики расчета и ее точность.
Приведена методика расчета ПВР с тонким распылением воды, разработанная для систем доувлажнения воздуха в помещениях с тепло-влаго-выделениями. Представлен порядок построения на I-d диаграмме процессов изменения состояния воздуха в помещении, даны зависимости для определения интенсивности увлажнения и времени достижения требуемого уровня влажности. Характеристики ПВР и место установки распылителя в помещении предлагается определять с учетом параметров траектории полета (рис.13) и длительности испарения капель (рис.14).
Рис. 13 Схема установки ПВР в помещении Рис. 14 Время «жизни» капель в воздухе
Методика расчета ПВР для системы доувлажнения была использована при реконструкции вентиляции в производственной типографии завода «Сантехприбор» г. Казани. Проведение мероприятий по нормализации влажности в производственных помещениях принесло ощутимый экономический эффект благодаря экономии бумаги и картона до 57 % и сокращения времени на приладку машин до 20%. Срок окупаемости внедренной системы доувлажнения составил 6 месяцев.
Программа расчета размеров капель, образующихся при распыливании жидкостей вращающимися распылителями с коническими каплеобразующими элементами, использована в проектном институте «Татинвестгражданпроект» (г. Казань) при разработке раздела ОВ проекта «Пристрой и реконструкция Бугульминского Государственного русского драматического театра». Применение методики позволило определить требуемые характеристики многодисковых распылителей с зубчатой периферией, используемых в секции увлажнения вентиляционно-увлажнительных установок ВВУ-10 и ВВУ-20 (ОАО «Энергомаш», г. Тверь). Такие установки предусмотрены проектом для кондиционирования зрительного зала театра.
Предложения по устройству распылительной системы доувлажнения воздуха в торговом зале-экспозиции «Садовый рай», обеспечивающей требуемые параметры микроклимата по техническому заданию на проектирование, использованы ГУП «Татинвестгражданпроект» в ходе разработки проекта отопления и вентиляции административно-торгового центра на Ильинском шоссе г. Красногорска Московской области.
Оценка экономической эффективности от внедрения отдельных разработок распылительных узлов деаэраторов и увлажнителей на основе ПВР проводилась в МУП ПО «Казэнерго» г. Казань, ООО «Елабужское предприятие тепловых сетей» г. Елабуга, в ОАО «Зеленодольское ПТС» г. Зеленодольск Республики Татарстан, а также в ЗАО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат». Подтвержденный актами экономический эффект, ожидаемый и полученный на данных предприятиях от внедрения результатов исследования, составляет 134, 550, 128 и 149 тыс. руб. в год, соответственно.
В отдельных параграфах главы приведено описание разработанного способа распыливания и конструкций механических распылителей, позволяющих нейтрализовать образование капель-спутников при работе в режиме монодиспергирования (рис. 15). В их основе лежит применение каплеобразователей в виде гибких упругих нитей, удерживающих на своей поверхности микрокапли при отрыве "основных" капель. Здесь же формулируются необходимые условия для осуществления способа, механизм процесса иллюстрируется фотографиями.
![]() | а) б) в) | ![]() |
Рис. 15 Конструкция распылителя с гибкими нитями и режимы распыливания.
а – режим «основных капель» (v<2 м/с); б – «струйный» (2<v<8 м/с); в – режим
«тонкого распыливания» с концов нитей (v>8 м/с).
Также рассмотрены конструкции ПВР для работы с жидкостями, загрязненными механическими примесями (рис. 16). Основным элементом конструкций является вкладыш-ротор 1 с конической внутренней поверхностью, выполняющий роль центрифуги для выделения загрязнителя. Твердые частицы осаждаются под действием центробежной силы на внутренней поверхности вкладыша в виде кольцевого слоя осадка. Очищенная жидкость отводится через центральную щель 2 к внутренней поверхности пористого цилиндра 3 и распыляется, а осадок периодически удаляется из распылителя по конусу 4 через штуцер 5, отводящий частицы загрязнителя от внутренней поверхности пористого цилиндра распылителя. Такие конструкция ПВР рекомендуется для промышленных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха с частичной или полной рециркуляцией воды.
а) б)
Рис. 16 ПВР на основе абразивных изделий ЧЦ для загрязненных жидкостей:
а – с верхним отводом загрязнителя; б – с нижним отводом загрязнителя
Эффективность очистки от твердых частиц в образце ПВР из абразивного материала М10 с вкладышем-центрифугой по рис 16, а была экспериментально подтверждена на опытной установке при различных расходах воды и скорости вращения распылителя.
В заключение главы приводятся перспективные конструкции распылительных аппаратов на основе ПВР для тепловлажностной обработки воздуха (рис. 1719). Входы в отдельные устройства выполнены в виде раструбов с гладкой внутренней поверхностью, спрофилированной по расчетным очертаниям отрывных зон.
Если в схеме аппарата по рис. 18 в качестве вентилятора использовать его модернизированный вариант с пористо-волоконным дисковым распылителем, показанный на рис. 19,а, то можно получить конструкцию с двумя ступенями обработки воздуха - непосредственно в цилиндрическом корпусе аппарата и в его вентиляторном агрегате. В первой ступени (без рециркуляции воды) можно осуществлять политропные процессы с охлаждением и осушением воздуха (а также процесс пылеулавливания), во второй – увлажнение до требуемых конечных параметров.
![]() | ![]() |
Рис. 17. Схема аппарата с многоярусным ПВР | Рис. 18. Схема аппарата с инерционным каплеотделителем |
Конструкция по рис. 19, а может использоваться в качестве самостоятельного увлажняющего аппарата, как в виде отдельного блока, так и в сети воздуховодов. При работе ПВР в виде широкого диска большого диаметра (более 350 мм) легко достигаются необходимые для «каплеобразования на зерне» окружные скорости вращения (3040 м/с) при доступных оборотах крыльчатки вентилятора в 25003000 об/мин. Это позволяет осуществлять тонкое распыление воды с образованием монодисперсных капель размером менее 1520 мкм, быстро испаряющихся на небольшом по протяженности участке траектории после вентилятора.
а) ![]() | б) ![]() |
Рис. 19. Схемы аппаратов для увлажнения воздуха на основе ПВР: а - модернизированный круглый канальный вентилятор с функцией увлажнения (1 – двигатель с внешним ротором; 2 – войлочный диск, закрепленный на стенке крыльчатки; 3 – трубопровод для подвода воды); б – приточная установка с секцией увлажнения воздуха.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Установлено, что применение современных монодисперсных технологий распыливания воды с помощью ПВР в распылительных аппаратах систем вентиляции и кондиционирования может существенно повысить интенсивность и эффективность проведения процессов тепловлажностной обработки воздуха.
- Анализ современного состояния теории и практики использования ПВР показал, что сегодня отсутствуют обоснованные физические представления и построенные на них математические модели каплеобразования на зернах наружной поверхности ПВР. Это сказывается на точности методик расчета дисперсных характеристик пористых распылителей и сдерживает широкое применение ПВР в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
- Экспериментально и численным расчетом исследованы закономерности каплеобразования на моделях зерен ПВР в виде цилиндров, конусов и сфер в поле силы тяжести, получены зависимости отрывных объемов капель от геометрии каплеобразующих элементов, расхода и свойств жидкости. Определены границы перехода от каплеобразования к струйному истечению.
- Построена математическая модель динамики каплеобразования на зернах ПВР в поле центробежной силы, учитывающая структурные характеристики пористого материала, а также интенсивность течения жидкости через распыливающую поверхность ПВР. Разработан алгоритм численной реализации модели.
- Составлена программа для расчета изменения формы капель во времени с визуализацией этого процесса на экране ЭВМ. Рассчитаны отрывные объемы капель при различных структурных, геометрических и режимных параметрах работы ПВР.
- Установлено, что динамика каплеобразования определяется соотношением двух основных критериев
и
, характеризующих, соответственно, влияние центробежной силы и силы поверхностного натяжения жидкости на размеры капель в распыле ПВР.
- Экспериментально подтверждена адекватность динамической модели реальному каплеобразованию на зернах ПВР в монодисперсном (капельном) режиме распыления.
- На основе предложенной модели каплеобразования разработана методика инженерного расчета ПВР, позволяющая определять основные конструктивные и технологические параметры распылителя в зависимости от требуемого качества распыливания жидкости.
- Предложен способ и ряд конструктивных вариантов ПВР, позволяющих нейтрализовать образование капель-спутников при работе в режиме монодисперсного распыления. В их основе лежит применение каплеобразователей в виде гибких упругих нитей, удерживающих на своей поверхности микрокапли при отрыве «основных» капель. Разработаны конструкции ПВР с вкладышем-центрифугой для работы с загрязненными жидкостями. Устройства защищены патентами и авторскими свидетельствами.
- Результаты исследований характеристик ПВР из абразивного материала и их отдельные конструкции внедрены на действующих предприятиях МУП ПО «Казэнерго» г. Казань, ООО «Елабужское предприятие тепловых сетей» г. Елабуга, ОАО «Зеленодольское ПТС» г. Зеленодольск Республики Татарстан, ЗАОр (НП) «Поволжский фанерно-мебельный комбинат». Промышленная реализация ПВР в аппарате для очистки аспирационного воздуха и устройствах для доувлажнения воздуха в помещениях общественных и производственных зданий обеспечила высокую эффективность проведения тепловлажностных процессов и показала точность разработанной методики расчета распылителей.
- Сформулирована и решена задача по определению очертаний вихревых зон на входе во всасывающие отверстия распылительных аппаратов в виде раструба. Определены характерные параметры этих зон при различных длинах и углах раскрытия раструбов. Профилирование входов по очертаниям свободных линий тока позволит существенно снизить энергоемкость распылительных аппаратов систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также уменьшит шум, создаваемый ими.
- Разработан ряд энергоэффективных конструкций тепловлагообменных аппаратов на основе ПВР для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Входы в аппараты имеют гладкую внутреннюю поверхность, спрофилированную по расчетным данным выполненных исследований.
- Исследования и научные разработки, выполненные в рамках диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке специалистов-строителей, при курсовом и дипломном проектировании систем вентиляции и кондиционирования общественных и промышленных зданий.
Условные обозначения
, - угол, коэффициент; z, r – цилиндрические координаты; k1, k2 – главные кривизны поверхности в произвольной точке; k – средняя кривизна; , - плотность и динамическая вязкость жидкости; , p - коэффициент поверхностного натяжения и давление жидкости; Q, v – объемный расход и скорость течения; g – ускорение силы тяжести; - поверхность; - область течения; - угловая скорость вращения; , por – коэффициент проницаемости и пористость материала ПВР; , - операторы Гамильтона и Лапласа; t – время, температура; с – капиллярная постоянная.
И н д е к с ы
о – начальный; отр – отрывной; к – капля; з – зерно; ф – фильтрация; кр – критический; ср – средний.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации
(шрифтом выделены публикации в изданиях, рекомендованных ВАК)
- А.С. № 1745358 (СССР). Распылитель для загрязненных жидкостей. Р.Г.Сафиуллин, А.А.Колесник, А.Б.Сергеев, Н.А.Николаев. Опубл. в Б.И. №25, 1992.
- Сафиуллин Р.Г. К расчету профиля капли, отделяющейся от вертикального цилиндрического стержня // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1993.- С.24-30.
- Сафиуллин Р.Г. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1993.- С.67-72.
- Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Определение объемов капель, отрывающихся от смачиваемой сферы // В Межвуз. сб.: Исследование сетей, аппаратов и сооружений водоснабжения и канализации, КазИСИ, Казань, 1995. - С.24-30.
- Патент № 2034266 (Россия). Способ определения поверхностного натяжения жидкостей. Р.Г.Сафиуллин, А.А.Колесник, В.Н.Посохин, Н.А. Николаев. Опубл. в Б.И. №12, 1995.
- Патент № 2042438 (Россия). Механический распылитель. Р.Г. Сафиуллин, А.А.Колесник, В.Н.Посохин, Н.А. Николаев. Опубл. в Б.И. №24, 1995.
- Субханкулов Р.Р., Маков Р.Н., Сафиуллин Р.Г. Влияние геометрии каплеобразующего элемента, свойств и расхода жидкости на размер отрывающихся капель // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1997.- С.86-90.
- Сафиуллин Р.Г., Колесник А.А., Посохин В.Н., Николаев Н.А. Определение размеров капель, отделяющихся от смачиваемых поверхностей // Изв. вузов. Химия и химическая технол., 1998, Т.41, вып.3. – С.72-77.
- Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н., Салимов Н.Б. О формировании капель на гранулах пористых вращающихся распылителей // В Межвуз. сб.: Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств, КазИСИ, Казань, 1999.- С.34-40.
- Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н., Салимов Н.Б. Распыливание жидкостей пористыми вращающимися распылителями // Изв. вузов. Строительство, 1999, №11. - С.130-133.
- Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. Математическая модель каплеобразования на гранулах ПВР // Труды VII съезда АВОК 30 мая - 2 июня, Москва, 2000. - С.82-86.
- Сафиуллин Р.Г., Салимов Н.Б., Посохин В.Н. Динамика свободной границы капли на зерне ПВР (статья) // Сб.тр. Гидромеханика отопительно-вентиляционных и газоочистных устройств. КГАСА, Казань, 2001.- с. 59-64.
- Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. О форме и размерах вихревых зон на входе в щелевые стоки – раструбы // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы I Международной НТК 25-29 сентября 2002. – Волгоград: Изд. ВолгГАСА, 2002.- С.32-35.
- Катков М.В., Посохин В.Н., Сафиуллин Р.Г. Подтекание к стокам при наличии ограждающих поверхностей // В сб.: Проблемы энерго - и ресурсосбережения: Материалы НТК ИжГТУ 26-27 июня 2002. – Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2003. - С.10-14.
- Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. Течение вблизи плоского стока – раструба // В сб.: Проблемы энерго- и ресурсосбережения: Материалы НТК ИжГТУ 26-27 июня 2002. – Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2003. - С.15-18.
- Сафиуллин Р.Г. О динамике каплеобразования на модели эллиптической гранулы ПВР в поле силы тяжести // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы II Международной НТК 15-19 сентября 2003. – Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2003. - С.189-192.
- Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. О форме отрывных зон на входе в раструб // Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2003, №3-4. – С. 39-47.
- Сафиуллин Р.Г., Салимов Н.Б., Посохин В.Н., Николаев Н.А. Динамика формирования капель на гранулах пористых вращающихся распылителей // Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2003, №3-4. - С. 48-53.
- Safiullin R., Posokhin V., Zhivov A. Local exhaust>
- Сафиуллин Р.Г., Салимов Н.Б., Посохин В.Н., Николаев Н.А. Динамика формирования капель при фильтрации через пористое тело // Теоретические основы химической технологии (ТОХТ), 2004, том 38, №4. -С. 441-445.
- Сафиуллин Р.Г., Николаев Н.А., Посохин В.Н., Колесник А.А. Диспергирование жидкости пористыми вращающимися распылителями. Модели каплеобразования. - Казань: ЗАО «Новое знание», 2004. – 64 с.
- Сафиуллин Р.Г. Бытовой увлажнитель воздуха с пористым вращающимся распылителем // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы III Международной НТК 14-17 сентября 2004. – Волгоград: Изд. ВолгГАСУ, 2004. – С.128-131.
- Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. Динамическая модель каплеобразования на зерне пористого вращающегося распылителя // Материалы междунар. НТК 23-25 ноября 2005 «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции»: Сборник.- М.: МГСУ, 2005.– С.182 -188.
- Сафиуллин Р.Г. Аппарат для доувлажнения воздуха производственных помещений // В сб.: Качество внутреннего воздуха и окруж. среды: Материалы IV Международной НТК 14-18 мая 2006. – Волгогра