Особенности диспергирования пористыми вращающимися распылителями

Экспериментальными исследованиями установлено, что пористыми вращающимися распылителями реализуется принципиально иной механизм образования капель – формирование тонких струй или капель на зернах поверхности распылителя при ламинарном подводе жидкости к центрам каплеобразования.

Рисунок 3. Каплеобразование на распылительной поверхности пористых вращающихся распылителей: а) при смачивании; б) при несмачивании

Принципиальная схема пористых вращающихся распылителей – это вращающийся на оси электродвигателя полый пористый цилиндр из зернистого материала, к внутренней поверхности которого равномерно подается жидкость (рис. 3). Под действием центробежной силы жидкость фильтруется через капиллярно-пористую стенку цилиндра и в виде струй или капель сбрасывается с зерен на его внешней (распыливающей) поверхности.

При смачивании каплеобразование происходит на поверхности одноразмерных зерен пористого материала. При несмачивании отдельные капли формируются из коротких ламинарных струек, вытягивающихся из пор на рабочей поверхности распылителя, также одинаковых по своим размерам.

Одинаковые размеры зерен материала пористых вращающихся распылителей и равные условия формирования на них капель обеспечивают высокую степень монодисперсности распыла. При этом производительность одного такого распылителя может просто регулироваться за счет изменения подачи жидкости в широких пределах от 0,1 до 1 000 л/ч без изменения качества распыливания.

Материалом для пористых вращающихся распылителей может служить пористая фильтрующая керамика, пористое стекло, металлокерамика и другие материалы, полученные формованием под высоким давлением из равномерной смеси связки и зерен заданного номера зернистости с последующим спеканием компонентов.

Наиболее дешевым, технологичным и универсальным является абразивный материал, в наибольшей степени отвечающий условиям использования в пористых вращающихся распылителях. Он обладает высокой пористостью, одноразмерным зерновым составом, прочен и химически стоек к агрессивным средам.

В качестве готовых диспергирующих элементов распылителей могут использоваться стандартные изделия из абразива, имеющие цилиндрическую и коническую форму.

Промышленностью выпускается более 800 типоразмеров абразивных кругов 20 номеров зернистости (от 50 до 400 мкм), различающихся лишь устройством их внутренней части и стоимостью.

В работе пористых вращающихся распылителей из абразивного материала можно выделить три характерных режима распыления.

Первый режим – пленочный, сравним с режимом «жидкого валика» у гладких дисков. Он реализуется при скоростях вращения 2–4 м/с, когда всю наружную поверхность абразива покрывает довольно толстая пленка жидкости. На возмущенных участках пленки вытягиваются отростки, от которых отделяются крупные капли, сопровождаемые мелкими каплями-сателлитами (рис. 4а).

Рисунок 4. Режимы распыливания у пористых вращающихся распылителей из абразивного материала: а) пленочный; б) струйный; в) струйно-капельный

При увеличении скорости вращения распылителей (до 8–12 м/с) наступает режим струеобразования на зернах абразива, аналогичный таковому у гладких дисков (рис. 4б). Однако количество струй много больше, чем их образуется на кромке диска. К тому же диаметр струй и, соответственно, размеры образующихся капель становятся сравнимы с размерами зерен в абразиве. Так как гранулометрический состав зерен при производстве абразивных изделий практически монодисперсный, то и состав факела капель в струйном режиме у пористых вращающихся распылителей близок к монодисперсному. В результате при работе распылителя образуется объемный по высоте, однородный по составу и достаточно тонкий распыл (100–200 мкм).

При дальнейшем увеличении скорости вращения (до 20 м/с) достигается струйно-капельный режим с формированием на зернах тончайших коротких струй и отдельных капель (рис. 4в). Размеры образующихся капель становятся меньше размеров зерен (менее 50 мкм), монодисперсность факела увеличивается. По тонкости и качеству распыла работа пористых вращающихся распылителей в этом режиме сравнима с работой пневматических атомайзеров. Распылитель способен максимально интенсифицировать процесс испарения и позволяет с высокой эффективностью проводить процесс адиабатического увлажнения воздуха. Однако подойти к этому режиму достаточно сложно, т. к. необходима частота вращения распылителя более 3 000–5 000 об/мин.

Рисунок 5. (подробнее) Компьютерное моделирование формирования «основной» капли и капель-сателлитов при каплеобразовании на сферическом зерне пористого вращающегося распылителя в капельном режиме распыления

При скоростях вращения свыше 20 м/с (7 000–10 000 об/мин) возможно достижение практически монодисперсного капельного режима, когда на каждом зерне формируется и отрывается не струя, а отдельная капля. На рис. 5 представлена компьютерная модель образования капли на сферическом зерне пористых вращающихся распылителей в этом режиме работы. Из рисунка видно, что при естественном каплеобразовании на зерне (без наложения искусственных регулярных возмущений на натекающую жидкость) получить абсолютно монодисперсные капли невозможно. Процесс отрыва капли всегда сопровождается образованием нескольких мелких капель-сателлитов, увеличивающих степень полидисперсности конечного факела распыла.

Схема бытового увлажнителя с пористыми вращающимися распылителями из абразивного материала показана на рис. 6. Воздух помещения протягивается вентилятором (3) через дождевое пространство из микрокапель, образованных пористым вращающимся распылителем (1), увлажняется и выходит обратно в помещение через отверстия перфорации на верхней полусфере корпуса.

Рисунок 6. Схема конструкции и общий вид бытового увлажнителя воздуха на основе пористых вращающихся распылителей из абразивного материала

Вода к распылителям поднимается по поверхности смачиваемого конуса (2) под действием центробежной силы и силы поверхностного натяжения. Проходя через слой дополнительного пористого материала (например, поролона или фильтровальной бумаги) вода очищается от загрязнений и равномерно распределяется по внутренней поверхности пористых вращающихся распылителей, затем фильтруется через пористую стенку распылителя (1) и каплями сбрасывается с зерен на его внешней поверхности.

Конструкция отличается простотой и небольшой стоимостью, которая не превышает цены наиболее дешевых паровых бытовых увлажнителей воздуха, представленных на современном рынке.

Использование пористых вращающихся распылителей в качестве распылительного устройства увлажнителей позволяет интенсифицировать процесс тепловлагообмена и повысить основные характеристики аппаратов.

Рисунок 7. Схема увлажнителя воздуха с погружным пористым вращающимся распылителем

На рис. 7 представлена принципиальная конструкция увлажнителя воздуха с «погружным» пористым вращающемся распылителем. В качестве материала распылителя здесь используется абразивный круг (1) типа ЧК (чаша коническая). В этой схеме вода смачивает и распыляется только с внешней поверхности распылителя, а не фильтруется через толщу его пористой стенки. Такое решение позволяет избежать засорения пор абразивного материала при длительном использовании рециркуляционной воды.

Появление на рынке конструкций канальных вентиляторов, развивающих скорость вращения крыльчатки до 2 500 об/мин, позволяет использовать их комбинацию с пористыми вращающимися распылителями для конструирования увлажнительных секций подвесных или настенных приточных камер. На рис. 8 показана возможная схема такого увлажнителя.

Рисунок 8. Схема секции увлажнения с пористым вращающимся распылителем и канальным вентилятором

Рис. 9 иллюстрирует пример использования многоярусного комбинированного распылителя для аппарата системы доувлажнения воздуха производственных помещений. В устройстве в виде круглой колонны с тангенциальным патрубком (6) для входа воздуха можно проводить глубокое увлажнение за счет создания высокого объемного факела мелкодисперсных капель. Такой факел образуется в результате работы распылителя (1) в виде пакета из абразивных кругов типа ЧЦ (чаши цилиндрические), защищенных от засорения прокладками из фильтровальной бумаги (2). Вода в распылителях поднимается из бака с помощью винтового погружного насоса (5), а вращающегося на валу скоростного электродвигателя (4) центробежного вентилятора (3). Подобная конструкция может иметь высокий коэффициент орошения и производительность по воздуху.

Рисунок 9. Схема аппарата для доувлажнения воздуха промышленных помещений