ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 681-691
УДК 621.928.37
ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ И КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В ГИДРОЦИКЛОНАХ
© 2007 г. А. А. Иванов, И. А. Балахнин, А .И. Пронин, |Н. А. Кудрявцев!, В. А. Диков,
Д. Е. Суханов, Д. А. Баранов*, М. Г. Лагуткин*, |А. М. Кутеп0в
Дзержинский политехнический институт Нижегородского государственного технического университета *Московский государственный университет инженерной экологии
lag53@yandex.ru Поступила в редакцию 30.03.2007 г.
Рассмотрены переходные режимы и кризисные явления в гидроциклонах, обусловленные особенностями гидродинамики закрученного потока и свойствами дисперсной фазы. Приведен анализ критических ситуаций, обсуждены причины неоднозначности режимов и возникновения кризисов.
Турбулентные закрученные потоки, реализуемые в вихревых аппаратах, проявляют многие необычные свойства, которые являются предметом пристального изучения (например, эффект Ран-ка-Хилша, прецессия вихревого ядра и др. [1]). Гидроциклоны, как типичные представители данного класса аппаратов, не являются исключением. Общие для вихревых аппаратов структурные свойства закрученного потока дополняются в гидро-
циклонах специфическими особенностями, обусловленными конфигурацией проточной части и свойствами разделяемых неоднородных систем. В совокупности эти факторы порождают ряд нетривиальных эффектов, связанных с гидродинамической неустойчивостью, неоднозначностью режимов и различного рода кризисами. По источнику возникновения указанные эффекты можно разделить на две группы.
Переходные режимы и кризисные явления
Эффекты, обусловленные структурой закрученного потока Эффекты, обусловленные свойствами разделяемой среды
Переменные параметры, факторы Группы неоднородных систем
Степень закрутки потока Продольная асимметрия закрученного течения Условия выгрузки выходных потоков Низкоконцентрированные суспензии с частицами неизометрической формы Суспензии с аморфной дисперсной фазой Концентрированные и структурообразующие суспензии Концентрированные эмульсии и газожидкостные системы
Эффекты
Кризис устойчивости осевой циркуляционной зоны
Эжекционный эффект. Кризис истечения. Автоколебания выходных потоков
Распад воздушного столба на выходе из гидроциклона. Барботаж-ный эффект. Кавитация
Неустойчивость пространственной ориентации частиц в турбулентном закрученном потоке. Кризис сепарации ориентированных частиц
Кризис устойчивости фло-кул, капель, пузырей, агрегатов в турбулентном закрученном потоке
Структурирование в пристенном слое. Неоднозначность режима истечения. Гистерезис. Кризис сепарации
Коалесценция в дисперсной фазе. Инверсия фаз
0.8
0.6
0.4
0.2
Течение с ОЦЗ
Течение без ОЦЗ X / /у • / / / / // // • /*
V / /
/ / / У
^ 1
" и
-• »«> |
0.1 1 10
Ф
Рис. 1. Зависимость относительного диаметра воздушного столба от параметра закрутки: точки - экспериментальные данные [5, 6]; 1 - расчет [3]; 2 - расчет [2]; ОЦЗ - осевая циркуляционная зона.
Эффекты первой группы определяются гидродинамикой закрученного потока в целом и поэтому проявляются независимо от вида разделяемой гетерогенной системы. Эти эффекты во многом связаны с характерным для напорных гидроциклонов свойством автомодельности полей скоростей по числу Рейнольдса. Данное свойство порождает неединственность решений уравнений Навье-Стокса [2], что, в свою очередь, обусловливает разнообразие гидродинамических режимов.
Эффекты второй группы определяются типом разделяемой неоднородной системы и физико-механическими свойствами ее компонентов. Большая часть этих эффектов связана с анизометрией формы и структурной неустойчивостью частиц дисперсной фазы в условиях турбулентного закрученного потока.
Ниже приведен анализ некоторых из представленных эффектов, встречавшихся в исследованиях авторов.
кризис устойчивости осевой циркуляционной зоны
Как известно [2-4], главной структурной характеристикой закрученных потоков является интегральный параметр закрутки:
^ М Ф = —
КЯ
(1)
где М, К - осевые компоненты соответственно момента количества движения и количества дви-
жения, R - характерный радиус потока (для гидроциклона - радиус сливного патрубка).
В условиях развитой турбулентности параметр закрутки перестает зависеть от числа Рейнольдса и приобретает смысл геометрического комплекса, определяемого конфигурацией проточной части гидроциклона.
В работах [3, 4] указывается, что в вихревых аппаратах при разных значениях параметра Ф могут существовать различные структуры закрученного течения. При слабой закрутке (Ф < 0.4) наблюдается прямоточное закрученное течение без каких-либо осевых особенностей. При сильной закрутке (Ф > 0.6) более устойчивым оказывается течение с осевой циркуляционной зоной, в которой формируются возвратные меридиональные потоки. Другими словами, существует два метастабильных режима (прямоточный и с осевой циркуляционной зоной), обладающих различной устойчивостью в условиях слабой и сильной закрутки потока.
Результаты опытов [5, 6] по измерению диаметра воздушного столба в гидроциклонах с различной конфигурацией проточной части представлены на рис. 1. Здесь же для сравнения приведена расчетная зависимость, полученная в работе [2] в рамках вариационной модели турбулентности применительно к цилиндрической вихревой камере. Пунктиром показана расчетная зависимость, полученная тем же автором в рамках модели идеальной жидкости [3].
Из приведенного графика видно, при сильной закрутке потока обе модели дают близкие результаты, вполне согласующиеся с экспериментом. При слабой закрутке модель идеальной жидкости оказывается неприемлемой, так как вблизи критического значения Ф = 0.6 воздушный столб утоньшается и становится неустойчивым, а при Ф < 0.6 полностью исчезает. Сходимость опытных данных с расчетной кривой 2 служит дополнительным подтверждением общности гидродинамических свойств вихревых аппаратов.
Следует отметить, что у большинства типовых конструкций гидроциклонов параметр закрутки превышает критическое значение (Ф > 0.6). Таким образом, гидроциклоны следует считать аппаратами с сильной закруткой потока и, следовательно, в них преимущественно должен обеспечиваться устойчивый режим течения с осевой циркуляционной зоной (что и наблюдается на практике).
эжекционный эффект в воздушном столбе. кризис истечения
Вследствие интенсивной закрутки потока давление в воздушном столбе оказывается ниже среднего давления в выходных потоках, поэтому в осевой зоне гидроциклона наблюдается характерный
Q,
(а)
Ч 0.6
2
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
(Рвх - РвыхХ МПа
(б)
Д
Всасывание
кр 0.8 д
Истечение
Рис. 2. Схема течения в воздушном столбе.
Рис. 3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления гидроциклона (а) и относительного расхода жидкости через разгрузочное отверстие (б) от располагаемого перепада давлений при свободном (1) и затопленном (2) режимах (¿цил = 75 мм; Д = 0.4).
4
2
0
0
эжекционный эффект [7]: газ или жидкость интенсивно всасывается в воздушный столб через центр пескового отверстия и далее выносится вместе с основным потоком среды через сливной патрубок.
Численный расчет автомодельных уравнений Навье-Стокса показал [8], что течение в воздушном столбе носит разомкнутый характер (рис. 2). При малых радиусах пескового отверстия Япес часть среды, всасываемой в осевую зону через это отверстие, проходит через нее и выносится через сливной патрубок. С увеличением ^пес этот поток вырождается и при равенстве радиусов пескового и сливного отверстий Япес = Явых исчезает. Среда, поступающая в воздушный столб через центр сливного патрубка, во всех случаях целиком выносится из нее через тот же патрубок.
Таким образом, эжекционный эффект является в первую очередь результатом продольной асимметрии закрученного потока и неравенства сечений выходных отверстий гидроциклона. Согласно выполненным расчетам, направление эжектируемого потока определяется величиной разгрузочного от-
ношения: при Д < 1 поток направлен в сторону сливного отверстия, при Д > 1 - в сторону пескового отверстия. Для цилиндроконических гидроциклонов характерным является первый интервал.
Влияние эжекционного эффекта на гидравлические характеристики гидроциклона при переходе от свободного режима к затопленному проявляется в снижении общего гидравлического сопротивления и перераспределении выходных потоков (рис. 3).
Для расчета количества среды, транспортируемой через воздушный столб за счет эжекционного эффекта, в работе [8] введены безразмерные параметры, характеризующие работу циклона как вихревого эжектора: относительный перепад давления во всасывающей линии и относительный расход транспортируемой среды:
Др _ Р вых Р о
_ ^р бвх'
вх
ос
Рис. 4. Эжекционные характеристики гидроциклона при транспортировании воды (а) и воздуха (б) при Ф = 0.65 (1); 1.25 (2); 1.75 (3); 2.45 (4); 4.0 (5).
где рвх, рос - давление на входе и оси гидроциклона, Qвx - расход среды на входе в гидроциклон.
Из опытных данных, приведенных на рис. 4, видно, что с возрастанием параметра закрутки расход инжектируемой среды увеличивается и может достигать 30...40% от пропускной способности самого гидроциклона.
При разделении эмульсий или низкоконцентрированных суспензий в случае сифонной выгрузки нижнего выходного потока эжекционный эффект может вызывать автоколебания расхода через песковое отверстие гидроциклона. Время цикла автоколебаний определяется высотой и количеством жидкости в сифоне.
После всасывания всей жидкости из сифона наступает его разрыв и цикл повторяется. Указанный нестабильный режим истечения подавляется либо дросселированием выходного потока осветленной жидкости, либо сообщением воздушного столба с атмосферой (или принудительным вводом газа в воздушный столб).
Кризис истечения нижнего выходного потока наступает при его затопленной разгрузке, когда пропускная способность воздушного столба Qвс оказывается больше расхода Qн. Критический диаметр пескового отверстия при этом близок к диаметру воздушного столба (рис. 36).
распад воздушного столба в выходных потоках. барботажный эффе
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.