Rozpylanie cieczy. teorie rozpylania parametry rozpylenia konstrukcje rozpylaczy i ich zastosowania

Transkrypt

1 Rozpylanie cieczy teorie rozpylania parametry rozpylenia konstrukcje rozpylaczy i ich zastosowania przygotował: sierż. pchor. Radosław Przysowa WAT Warszawa maj 000 r.

2 Rozpylanie cieczy: rozpad cieczy na krople w wyniku działania różnych sił. Wykorzystywanie rozpylania: - energetyka - silniki - rolnictwo, leśnictwo - inżynieria chemiczna - inżynieria środowiska

3 Różne sposoby rozpylania cieczy - klasyfikacja rozpylaczy: wykorzystywany rodzaj energii ciśnienie cieczy rozp. ciśnieniowe kinetyczna przepływu gazu rozp. pneumatyczne kinetyczna ruchu obrotowego rozp. rotacyjne drgań: rozp. mikroimpulsowe pola el.: rozp. elektryczne rozp. strumieniowe (otwarte i zamknięte) rozp. wirowe r. strumieniowo-wirowe o przepływie: -równoległym -skrzyżowanym -zawirowanym rozp. tarczowe rozp. wirnikowe

4 Teoria rozpylania cieczy brak teorii ogólnej zgodnej z doświadczeniem trudności opisu zjawisk ze względu na ich złożony charakter oraz wykorzystywanie w technice różnych metod rozpylania problemy z uzyskaniem bardzo potrzebnego w zastosowaniach opisu ilościowego widma średnic kropel

5 Badanie procesu rozpylania analizuje się wypływ strugi (błony lub kropel) z rozpylacza - układ równań hydrodynamiki uwzględnia się siły zaburzające - wewnętrzne (w rozpylaczu) i zewnętrzne (opór aerodynamiczny) otrzymuje się rozwiązanie - opisujące rozpad strugi (błony, kropel) na krople rok Rayleigh rozwiązał teoretycznie problem rozpadu nieruchomej strugi w próżni

6 Rozpylacz strumieniowy- rozpad strugi opór aerodynamiczny: F c x A 1 v

7 Rozpylacz wirowy - rozpad błony

8 Rozpad błony powstałej po zderzeniu strug

9 wtórny rozpad kropel siły oporu aerodynamicznego powodują zmianę rozkładu ciśnień działających na kroplę efektem jest wzrost deformacji kropli (spłaszczenie) dochodzi do wyoblenia i uformowania powłoki ostatnim etapem jest rozpad powłoki na dużą ilość małych kropel We g v D

10 Balistyka kropel Rozpylona ciecz może zostać wykorzystana zgodnie z przeznaczeniem tylko wtedy, gdy jej ruch odbywa się w sposób zamierzony. Omówimy: 1) opadanie kropel ) wylot z rozpylacza 3) ruch kropli w ruchomym gazie 4) ruch strugi kropel

11 Opadanie kropel (kulek) F x F w F g x g g c g w x g x x c 3 g g 3 w c )D g( 3 4 v F F F v 4 D c F g 6 D F g 6 D F v

12 współczynnik oporu c x dla kulek g v g D

13 krzywa prędkości opadania kulek I la min arny c F x x 4 Re 3 g Dv v ~ D II przejsciowy c x Re v ~ D 8 7 III turbulentny c x 0.44 v ~ D

14 współczynnik oporu kropel i stałej kuli

15 Wylot z rozpylacza w polu siły ciężkości strumieniowy wirowy x ukł. odniesienia związany z kroplą S = G + F x x 1 x

16 Zasięg kropel wylatujących z rozpylacza Rozwiązujemy układ nieliniowych różniczkowych równań ruchu: rozwiązanie układu: x(t) y(t) v x (t k ) dx dt t k 0 t k? l x(t k ) c g v 0 g D 1,5 cos

17 Ruch przyspieszony kropli wprowadzonej do gazu poruszającego się z prędkością u nieruchomy ukł. odniesienia y ruchomy ukł. odniesienia w=u-v y F x v (t) w(t) x u=const u x równanie ruchu kropli: d dt (mv) Fx

18 rys. droga przyspieszania kropli w strudze gazu Na drodze x: prędkość bezwzględna rośnie od 0 do v<u, prędkość względna maleje od u do w=u-v. x Bud (1 A )ln u w A u A ln w u 1) ) 3) 4) d d d 39m 49m 70m d 131m u 150 m s u 10 m s u 80 m s u 40 m s

19 Ruch strugi kropel - rozpylacz strumieniowy teoria swobodnej strugi turbulentnej w(x, r) Ad w x r exp x 0 0

20 Tory kropel w strudze rozpylacza wirowego u prędkość gazu v 0 prędkość początkowa kropel (bezwzględna) w 0 prędkość względna

21 Ruch strugi kropel w wirze powietrznym: tory w komorze spalania turbiny gazowej toroidalny wir powietrzny

22 parametry rozpylenia opisujące: krople: mikrostruktura (jakość rozpylenia) strugę: makrostruktura rozpylacz -widmo rozpylenia n=f(d) -średnia średnica -jednorodność rozpylenia strumień cieczy -masowe i objętościowe natężenie przepływu zewn. kształt strugi: -kąt rozpylenia -zasięg strugi -kontrakcja strugi wewn. strukturę strugi: -rozkład cieczy (gęstość strumienia) -pole przekroju wylotu -sprawność rozpylenia -wsp. straty prędkości -wsp. przepływu

23 Makrostruktura cieczy charakterystyka rozpylacza da dv q m p V p Av V v v v v p v p A 1 A p współczynnik przepływu q - gęstość strumienia cieczy

24 kąt rozpylenia dla różnych rozpylaczy strumieniowy pneumatyczny wirowy obrotowy 1- ciecz - powietrze

25 badane typy rozpylaczy: 1- strumieniowy - wirowy 3- strumieniowo-wirowy rozkład cieczy w strudze

26 rozkład gęstości cieczy - rozpylacz wirowy 1 wewnętrzna oraz zewnętrzna granica strugi 3 linia największych q(r) używane w technice rozkłady cieczy w strudze: promieniowy q=f(r) obwodowy osiowy q=f() q=f(x)

27 zasięg strugi (penetracja) - ls

28 Mikrostruktura: widmo rozpylenia

29 rozkład objętości kropel f 3 - funkcja rozkładu 3 - dystrybuanta,x - parametry rozkładu (wyznaczane dośw.) D M - średnica modalna (D) 1 exp 3 x D max D m - średnica mediana D max -średnica maksymalna D 0.9 -D 0.1 miara jednorodności rozpylenia

30 Średnia średnica kropel - zastępcza wielkość umowna, która charakteryzuje niejednorodny zbiór kropel arytmetyczna powierzchniowa objętościowa Sutera (SMD) D 10 =K d w We n Lp m D D D D D 3 3 D D n n D D n 3 n n n n n wzór empiryczny K, m, n - stałe wyznaczane doświadczalnie d w - średnica otworu wylotowego

31 Wskaźniki jakości rozpylenia stopień rozpylenia: mała średnia średnica kropel D jednorodność rozpylenia: mała różnica D 0.9 -D 0.1 Tab. Wpływ stopnia rozpylenia na proces spalania wielkość kropel średnica parowanie spalanie małe <5mm szybkie kinetyczne szybkie średnie 5-50m powolne dyfuzyjne wolne powierzchniowe duże >.5mm brak b. wolne

32 parametry charakteryzujące rozpylacz: -sprawność rozpylania =E 1 /E E 1 - energia sił napięcia powierzchniowego potrzebna na wytworzenie nowej powierzchni kropel E - energia zużyta przez rozpylacz -pole przekroju wylotu A -wsp. straty prędkości wypływu =w/w teor -wsp. kontrakcji strugi ea s /A -wsp. natężenia przepływu = e współczynniki wyznaczane dośw.:,e,=f(re)

33 rozpylacze ciśnieniowe strumieniowe wirowe otwarte zamknięte jednostopniowe regulowane uderzeniowe ze zderzającymi się strugami przelotowe wachlarzowe wielootworkowe czopikowe kątowe osiowe dwustopniowe upustowe z regulacją powierzchni otworów wlot.

34 rozpylacze strumieniowe otwarte pojedyncze (przelotowe) proste r-nie Bernouliego: p v1 p v

35 rozpylacze strumieniowe zamknięte (o działaniu przerywanym) a) wielootworkowe b) czopikowe p -ciśnienie paliwa w komorze rozpylacza p I -ciśnienie przed końcowym przekrojem dławiącym

36 rozpylacze strumieniowe otwarte uderzeniowe

37 rozpylacze ze zderzającymi się strugami stosowane głównie w silnikach rakietowych 1-paliwo -utleniacz

38 stosowane zwykle do nawilżania powietrza rozpylacze wachlarzowe

39 rozpylacz strumieniowo-wirowy

40 Rozpylacze wirowe rozpylacz spiralny rozpylacz wirowy kątowy ze stycznym otworem wlotowym(3) 1-korpus -końcówka dyszowa 4-komora wirowa

41 rozpylacz wirowy osiowy ze stycznymi otworami wlotowymi

42 rozpylacz wirowy z otworami stycznymi - podstawowe parametry: - wsp. natężenia przepływu - stopień wypełnienia otworu wylotowego =A s /A - kąt rozpylenia K- stała geometryczna rozpylacza wirowego K Rr ir 0 wl K R-promień zawirowania r 0 -pr. otworu wylotowego i -liczba otw. wlotowych r wl -pr. otworu wlotowego

43 rozpylacz regulowany - dwudyszowy

44 przewód upustowy rozpylacz upustowy p u zawór regulacyjny paliwo

45 rozpylacze pneumatyczne przepływ równoległy zewnętrzne działanie gazu 1-ciecz -gaz Internal-mix przepływ skrzyżowany 3-otwory cieczowe 4-otwory gazowe 5-komora mieszania (wewnętrzne działanie gazu) 6-otwory wylotowe

46 rozpylacze pneumatyczne przepływ skrzyżowany prostopadłe (zewnętrzne) zderzanie się strug typ Y - do palenisk kotłowych (wewnętrzne działanie gazu) 1-ciecz -gaz 3-głowica 4-otwory wylotowe (mieszalniki)

47 rozpylacze o przepływie zawirowanym rozp. areacyjny prefilmer 1, -I i II stopień doprowadzania paliwa 3 -komora mieszania 3,4 -wewn. i zewn. zawirowywacz paliwa 3-błona cieczy 4-krawędź wylotowa

48 rozpylacze rotacyjne tarczowe (na rys.) wirnikowe dyskowy czaszowy kielichowy

49 rozpylacze rotacyjne wirnikowe z kanałami promieniowymi porowaty 1-tarcza -wał silnika 3-przewód paliwowy 1-porowaty walec -bibuła filtracyjna 3-krążki boczne 4-wałek napędowy 5-ciecz

50 rozpylacze mikroimpulsowe z drgającą dyszą (3) z drgającą membraną (4) z gazowym generatorem drgań gaz 1-rozpylacz -element pobudzający do drgań 5(6)-szczelina dla cieczy(gazu) 7-rezonator

51 Dziękuję za uwagę Korzystałem z: Z. Orzechowski, J.Prywer Rozpylanie cieczy WNT 1991 r. Z. Orzechowski, J.Prywer Rozpylanie cieczy w urządzeniach energetycznych WNT 1994 r. Z. Orzechowski, J.Prywer Rozpylanie cieczy WNT 1991 r.