Диссертация (1172932), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Корпуссодержит основную магистраль подачи воды 2, взаимопараллельные водоподводящие каналы 3, сообщающиеся с каналом 4 для формирования факела воды,паз 5 с плоским дном 6. Для очистки форсунки имеются винты-заглушки 7.Выходные цилиндрические отверстия 8, образованные пересечением паза 5с каналом 4 расположены на одной оси строго друг против друга.На рисунке 3.9 показана принципиальная схема работы форсунки.Рисунок 3.9 – Принципиальная схемаработы форсунки80Вода под давлением поступает из основной магистрали 2 корпуса 1по взаимопараллельным каналам 3 в канал 4, который пересечен пазом 5. В местепересечения канала 4 и паза 5 происходит соударение встречных струй воды,истекающих из цилиндрических отверстий 7. Соударение струй происходитпо строго встречным направлениям, образуя плоский факел.

Угол раскрытияфакела в 180º ограничивается плоским дном 6 паза 5.Вода, покидая цилиндрические каналы (сопла) образует струи (классструйной форсунки), расположенные соосно друг другу цилиндрические струисоударяются, образуя в точке столкновения радиально растекающийся потокв виде плоской пленки, распадающиеся на капли (класс форсунок с соударениемструй). Стенки паза (5) выполняют функцию отражателя и дальнейшее распыливание происходит за счет ударения капель о стенки (6) (класс ударно-струйнойфорсунки), и ограниченные плоским дном паза образуют веерообразный факелс углом раскрытия 180° градусов.Задача по уменьшению теплового потока с помощью теплозащитныхэкранов, использующих паро-капельную смесь, требует оптимизации по такомуважному фактору, как объем воды, расходуемый на 1 м2 площади экрана или расход воды на одну форсунку.

Данное обстоятельство обусловлено тем, что в силуопределенных факторов, а именно дефицита воды, необходимо определить тотминимальный уровень расхода, при котором сохраняются эффективные защитныесвойства экрана. Предварительные натурные испытания показали, что расходводы через форсунку порядка 80 г/с (4,8 л/мин.) для площади 1,125 м 2является фактически достаточным для уменьшения теплового потока примернов 80 раз.Для достижения минимального значения расхода воды ставится задача пооптимизации конструкции форсунки, которая наряду с простотой изготовления,имела бы легко регулируемый конструктивный параметр, напрямую влияющийна расход воды. Как уже отмечалось, для изменения расхода воды достаточноизменить диаметр канала форсунки. В этой связи необходимо знать зависимостьрасхода воды от давления в системе при различных диаметрах канала.81Такая информация позволит выбирать необходимый диаметр каналафорсунки при ее изготовлении для каждого конкретного случая потребления водыв зависимости от внешних факторов и условий эксплуатации.

Для выявлениятакой зависимости были проведены эксперименты по определению расхода водыпри разных значениях давления с форсунками, имеющими различные диаметрыканалов, результаты которых приведены на рисунке 3.10.80Диаметр отверстия каналафорсунки702,0 ммРасход воды, г/с6050401,6 мм1,2 мм30201,0 мм1000123456Давление, атмРисунок 3.10 – Зависимости расхода воды от давления в системедля форсунок с разными диаметрами отверстия каналаИз рисунка 3.10 видно, что расход воды при давлении около 5 атм выходитна «плато» и в дальнейшем практически не увеличивается. Таким образом, знаятребуемый расход и диапазон рабочего давления в системе, можно подобратьнеобходимый диаметр канала форсунки, отвечающий этим условиям.823.3 Экспериментальное определение характеристик форсунок3.3.1 Стенд для испытания форсунокПрограмма испытаний форсунок включала в себя определение следующихпараметров:– угла факела форсунки;– диаметра капель в струе распыляемой форсункой;– статистического распределения капель, распыляемых форсункой, по размеру(диаметру);– зависимости расхода воды на форсунку от давления воды в системе;– измерение параметров факела форсунки при оптимальном давлениии расходе воды.Программа предназначалась для выбора оптимальной конструкции форсунки,удовлетворяющей заданным требованиям как по основным параметрам форсунки(размер факела, угол раскрытия, размер капель), так и по величинам расходаи давления воды.

Манометр предназначался для определения давления подводимойводы, а ротаметры – для определения расхода воды, проходящей через форсунку.Ротаметры проградуированы в трех диапазонах: 10–100, 50–500 и 250–1500 мл/сс точностью 10 % по нижнему пределу каждого диапазона. Конструктивныеособенности стенда позволяли определять давление и расход воды, подаваемойчерез водораспределительный контур в межсеточное пространство экрана.Поскольку при испытании форсунок на стенде предполагалось использованиефотоаппаратуры для контроля основных параметров форсунки, то форсунка укреплялась на поворотной головке с целью придания струе необходимого наклона.3.3.2 Дисперсность распыляемой водыОпределение диаметров капель, распыляемых форсункой, максимальноотвечающих установленным требованиям, производилось прямым методом83с использованием микроскопа МБС-2 со встроенной шкалой измерения,наблюдаемой в окуляр при увеличении в 32 раза.

Данная методика широкоприменяется в различных отраслях науки и техники и отличается простотой,надежностью и воспроизводимостью.В качестве подложки, используемой для осаждения капель воды и последующего измерения, применялась стеклянная пластина размером 10×15 см2 с несмачиваемой поверхностью. Для этого на одну из поверхностей наносился тонкийслой технического масла толщиной 2–3 мкм. Пластина, ориентированная горизонтально, вносилась на 1 с в область, расположенную ниже горизонтальной оси,вдоль которой производится распыление на различных удалениях от форсунки(рисунок 3.11). В результате, на пластине происходило осаждение капель всехвозможных диаметров, которые «улавливались» на излете своей траектории.100 см120100200300смРисунок 3.11 – Принципиальная схема определения диаметра капель,создаваемых форсункой:1 – форсунка; 2 – пластина для «улавливания» капельДанное обстоятельство позволяло избежать разбрызгивания капель и их«слияния».

В микроскоп хорошо наблюдались отдельные капли различных диаметров, в зависимости от удаления пластины от форсунки. Во избежание испарения капель визуальные измерения проводились непосредственно сразу послеосаждения капель на пластину.При измерениях диаметра капли необходимо учесть фактор отличия формыреальных капель от идеальной сферы, особенно для крупных капель.84Известно, что капля малых размеров на несмачиваемой поверхности имеетформу, близкую к сферической (рисунок 3.12а), когда сила поверхностного натяжения больше силы тяжести капли, и другими силами, действующими на нее,можно пренебречь.

В противном случае, наблюдается сплющивание капли(рисунок 3.12б) [105].б)а)RL = R / 20RxR / x = 0,7-0,8Рисунок 3.12 – Форма капли воды для случаев, когда сила поверхностногонатяжения больше (а) и меньше (б) силы тяжестиОценим максимальный диаметр, при котором капля имеет сферическуюформу.На неподвижную каплю радиусом R действуют две силы:– сила поверхностного натяжения Fн = L;– сила тяжести Fт = mg,где – коэффициент поверхностного натяжения (для воды при 20 ºС = 72,710-3 Н/м); L – длина границы соприкосновения капли и плоскости;m – масса капли; g – ускорение свободного падения.Принимая, что Fн = Fт, m = V = 4/3R3 (здесь  = 1000 кг/м3 – плотностьводы), L = R / 20, получаем R = (3 / 80g)1/2 или R = 294 мкм ≈ 300 мкм,d = 600 мкм.Таким образом, при диаметрах капель до 600 мкм их можно считать сферическими.

При размерах капли, наблюдаемой в микроскоп, более 600 мкм необходимо вносить поправку на сжатие (рисунок 3.12б), которая определяется какотношение R / x = 0,7–0,8.85В распыленной струе присутствуют капли с диаметрами в самом широкомдиапазоне от 15 до 800 и более мкм. Зафиксировано присутствие капель со следующими наиболее распространенными значениями диаметров, которые былиопределены с учетом вышеизложенного: 15; 30; 100; 125; 175; 200; 250; 300; 350;375; 500; 625; 700; 750; 850; 1000 мкм.Для удобства оценки эти значения диаметров можно объединить в группы:– капли с диаметром 15–30 мкм локализованы в основном на расстоянияхот 25 до 60 см;– капли с диаметром 250 мкм (от 60 до120 см);– капли с диаметром 500 мкм (от 120 до 180 см);– капли с диаметром 650 мкм (от 180 до 240 см);– капли с диаметром 800 и более мкм (от 240 до 300 см).Таким образом, данная методика позволяет с большой точностью (до 10 %погрешности) определять все возможные диаметры капель, присутствующиев потоке.

Однако указанная методика не может дать ответ на вопрос о статистическом распределении капель с разными диаметрами в потоке. Для этой цели былаприменена другая методика.3.3.3 Статистическое распределение капельс разными диаметрами в потокеМетодика основана на измерении количества жидкости, собираемой горизонтально расположенными улавливающими емкостями, и последующего определения ее объема V (массы). Схожая методика используется в метеорологии приопределении уровня выпавших осадков [106]. В основу методики положен физический факт, при котором дальность «полета» капли прямо пропорциональнамассе капли и, следовательно, ее диаметру, и зависит от импульса капли.При этом считается, что начальная скорость вылета для всех капель одинакова.Другими словами, капли меньшей массы теряют свою кинетическую энергиюна более близких расстояниях, чем капли большей массы.86На горизонтальной плоскости расположенной ниже оси распыления на 100 смчерез каждые 20 см располагались улавливающие и собирающие жидкость емкости с одинаковой площадью входных окон 70 см2 (рисунок 3.13).форсункаL0100200300смулавливающие емкостиРисунок 3.13 – Принципиальная схема к способу определения статистическогораспределения капель с разными диаметрами в потоке, создаваемом форсункойСледует отметить, что нулевое положение шкалы, по которой отмечалисьположения емкостей, не совпадает с вертикальной проекцией положения форсункина горизонтальную ось, а сдвинуто на расстояние L до точки, соответствующейгранице выпадения наименее «легких» капель воды.

Таким образом, можносчитать, что расстояние от «0» на горизонтальной шкале до той точки, где происходит осаждение капель, соответствует расстоянию от форсунки до области,где капли начинают терять свою кинетическую энергию. В процессе распыленияв каждой емкости собирается вода, состоящая в основном из капель одной фракции, то есть имеющих примерно одинаковую массу и диаметр. Другими словами,происходит сепарация капель по массе, так как попадание более «тяжелых»капель в ближние емкости практически исключено.Здесь необходимо сделать оговорку, что всегда имеется некоторое количествокапель малых диаметров, которые будут попадать в дальние емкости.

Характеристики

Список файлов диссертации