ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2009
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 532.529
© 2009 г. Ганиев Р.Ф., Жебынев Д.А., Корнеев А.С.
ВОЛНОВОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ГАЗА В ЖИДКОСТИ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КОМПРЕССОРА
Экспериментально исследована работа диспергатора газа в жидкости нового типа — волнового в режиме эжекции, без использования компрессора. Получены зависимости расхода газа, создаваемого волновым диспергатором-эжектором, от давления воды на входе в диспергатор при различных конструктивных параметрах. Измерены средние размеры пузырьков газа в двухфазной струе, вытекающей из диспергатора. Даны рекомендации по выбору параметров диспергатора. Целью работы является упрощение конструкции установок для диспергирования газа в жидкости, уменьшение размеров пузырьков газа и снижение энергетических затрат на диспергирование. Это актуально для многих задач химической технологии, систем биологической очистки сточных вод, хлорирования или озонирования водопроводной воды.
В Научном Центре нелинейной волновой механики и технологии РАН созданы основы волновых технологий, которые можно использовать во многих отраслях техники: машиностроении, химической промышленности, строительстве, экологии и т.д. [1—3].
В работе [3] были исследованы волновые диспергаторы (устройства нового типа) для диспергирования газа в жидкости. В них дробление потока газа на пузыри проводится за счет импульсов давления, создаваемых волнами в жидкости, распространяющимися от гидродинамического генератора колебаний [4]. Подачу диспергируемого воздуха осуществляли двумя способами: с помощью компрессора и в режиме эжек-ции. В последнем случае, помимо своей основной функции — диспергирования газа в жидкости, волновой диспергатор одновременно выполнял роль эжекционного насоса, подающего газ в рабочую камеру. Использование этой возможности исключает необходимость применения компрессора, упрощает схему технологической установки с данным типом диспергатора, снижает расходы на ее изготовление, эксплуатацию и повышает надежность работы.
Расходные и эжекционные характеристики. Зависимости расходов газа Qг (рис. 1, а) и воды Qв (рис. 1, б) от давления воды pв на входе в диспергатор оказались близки к линейным. Однако во влияниях диаметра d и количества п подающих отверстий наблюдаются существенные нелинейности. Так, при давлении pв = 1 МПа с увеличением диаметра в два раза (от d = 1 до 2 мм) площадь подающих каналов увеличилась в четыре раза, расход газа — шесть раз, а расход воды примерно в три раза. С увеличением количества отверстий в два раза (от п = 2 до 4) при d = 2,5 мм расход газа уменьшился
рв, МПа
Рис. 1. Зависимость расхода эжектируемого газа (а), расхода воды через диспергатор (б), коэффициента эжекции (в) от давления воды на входе в диспергатор: 1 — й = 1,0 мм , п = 2; 2 — й = 2,0 мм, п = 2; 5 — й = 2,5 мм, п = 2; 4 — й = 2,5 мм, п = 4; 5 — й = 3,0 мм, п = 4
<й>, мм
0,9 - • /^^О—л
0,7 ¥ 1
0,5 т
0,3 1 1
2 ш-У 0,9
4 * А * А 0,7
4
5 0,5
0,3
1 1
5
_|_I_I_I_I_I_I
0,2 0,4 0,8 1,2 1,6 0 0,1 0,3 0,5 0,7
й, м3/ч
Рис. 2. Зависимость среднего диаметра газовых пузырьков от давления воды на входе в диспергатор (а) и от расхода газа, создаваемого диспергатором-эжектором (б): 1 — й = 1,0 мм, п = 2; 2 — й = 2,0 мм, п = 2; 3 — й = 2,5 мм, п = 2; 4 — й = 2,5 мм, п = 4; 5 — й = 3,0 мм, п = 4
б
а
2
приблизительно в два раза, а расход воды увеличился лишь на 20%. Дальнейшее увеличение диаметра от й = 2,5 до 3,0 мм привело к уменьшению расхода газа в четыре раза, а расход воды увеличился только на 10%.
Коэффициент эжекции — отношение расходов газа и воды 0г/0ъ представлен на рис. 1, в. Видно, что при количестве подающих отверстий п = 2 максимальное значение коэффициента эжекции составляет 0г/0в « 37% для й = 1 мм, 0г/0в « 46% для й = 2 мм и доходит до 0г/0ъ ~ 90% для й = 2,5 мм. С увеличением числа отверстий в два раза (от п = 2 до 4) при й = 2,5 мм максимальный коэффициент эжекции уменьшился до ег/ев « 23%, а при й = 3,0 мм он стал существенно меньше 0г/0ъ ~ 5%.
Средний диаметр пузырьков газа. Путем обработки цифровых фотографий двухфазной газожидкостной струи, вытекающей из диспергатора, с помощью специально разработанной компьютерной программы были получены распределения пузырьков газа по размерам и рассчитаны средние значения (й) диаметра газовых пузырьков в воде (рис. 2, а). Видно, что с повышением давления воды от рв = 0,2 до 0,5—0,6 МПа средний диаметр газовых пузырьков увеличивается. Это вызвано возрастанием относительного количества газа в двухфазной газожидкостной струе (рис. 1, в). Это приводит к более сильному затуханию колебаний давления, создаваемых волновым диспергато-ром, и к снижению качества диспергирования. При дальнейшем повышении давления воды до рв = 1,0—1,4 МПа средний диаметр газовых пузырьков уменьшается, несмотря на увеличение расхода газа. В этом диапазоне давлений устанавливается оптимальное соотношение расхода газа, расхода воды и амплитуды колебаний давления, создаваемых волновым диспергатором. При более высоких давлениях это соотношение нарушается, что приводит к увеличению среднего размера газовых пузырьков.
Выбор параметров диспергатора удобно проводить по зависимости среднего диаметра газовых пузырьков от расхода газа Qг, создаваемого в режиме эжекции (рис. 2, б).
Для обеспечения наилучшего качества диспергирования следует принимать: при Qг = 0,003—0,05 м3/ч диаметр подающих отверстий d = 3,0 мм, их количество п = 4; при Qг = 0,06-0,26 м3/ч d = 2,5 мм, п = 4; при Qг = 0,27-0,79 м3/ч d = 2,5 мм, п = 2.
Выводы. Исследована работа волнового диспергатора газа в жидкости в режиме эжекции, без использования компрессора. Найдены оптимальные диапазоны давлений воды на входе в диспергатор, при которых достигается наилучшее диспергирование в определенных диапазонах расходов газа.
Показано, что расход газа, подаваемого диспергатором-эжектором, может достигать 90% от расхода прокачиваемой воды. Средний диаметр газовых пузырьков на оптимальных режимах составляет от 0,35 до 0,75 мм в зависимости от требуемого расхода газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ганиев Р.Ф. Волновые машины и технологии (Введение в волновую технологию). М.: Научно-издательский центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 192 с.
2. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технология. М.: Научно-издательский центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 712 с.
3. Ганиев Р.Ф., Жебынев Д.А., Корнеев А.С., Украинский Л.Е. Экспериментальное исследование волновых диспергаторов газа в жидкости // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. № 6. С. 94-97 с.
4. Авдуевский В.С., Ганиев Р.Ф., Калашников Г.А. и др. Гидродинамический генератор колебаний: Патент 2015749 РФ // Б.И. 1994. № 13. С. 34.
Москва Поступила в редакцию 4.Ш.2009
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.