Способ определения гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания

 

Изобретение относится к промышленным охладителям типа башенных или вентиляторных градирен, брызгальных бассейнов, где интенсивность теплосъема зависит от дисперсности капель в капельном потоке, образуемом разбрызгивающими устройствами различного типа. Способ определения гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания включает определение размеров капель и систему уравнений движения капли по криволинейной траектории, на опытной установке фиксируют диаметр лишь одной капли, летящей по наибольшей криволинейной траектории факела разбрызгивания, определяя при этом расчетом начальную скорость вылета капель, начальный угол вылета которых соответствует наклону плоскости среза выходной кромки разбрызгивающего устройства по отношению к горизонтальной плоскости, ширину зоны орошения определяют на экспериментальной установке и далее расчетным путем устанавливают размеры всех капель, формирующих капельный поток факела разбрызгивания. Техническая задача - уменьшение объема экспериментальных исследований и повышение точности измерений при определении гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области промышленных охладителей типа башенных или вентиляторных градирен, брызгальных бассейнов, где интенсивность теплосъема зависит от дисперсности капель в капельном потоке, образуемом разбрызгивающими устройствами различного типа.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных способов аналогичного назначения.

Известны многочисленные способы измерения крупности капель, большинство из которых относятся к прямым способам измерения, например, фотографирование, улавливание капель на фильтровальную бумагу, технические масла и т.п. (см. В.В. Гончаров. Брызгальные водоохладители ТЭС и АЭС. -Л.: Энергоатомиздат, 1989, с. 82-86).

К недостаткам этих способов относятся сложность измерения крупности капель внутри факела разбрызгивания, так как они в той или иной мере связаны с нарушением структуры капельного потока; большие трудозатраты при производстве эксперимента и малая точность проводимых измерений.

Известен способ определения размера капли по уравнению движения капли по криволинейной траектории, заключающийся в том, что при известных углах вылета капель α_o, начальной скорости V_o и дальности полета капель L, можно определить их диаметр d (А.Б. Шупяцкий. Радиолокационное измерение интенсивности и некоторых других характеристик осадков. - М.: Гидрометеоиздат, 1960, с. 115-128).

Недостаток такого теоретического решения заключается в отсутствии расчетного определения начальной скорости капли.

Известен способ измерения диаметров капель в факеле разбрызгивания, позволяющий с помощью лазерного луча определять размеры капель. В данном случае оптическая система служит для создания и преобразования теневой картины от движущегося капельного потока в электрические сигналы, анализ структуры которых позволяет получить информацию о гранулометрическом составе капель. Первичный измерительный комплекс размещен непосредственно в капельном потоке (А. А. Меркулов, А.В. Назаров и др. Измерения скоростей и диаметров капель в факелах разбрызгивания. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, С-Петербург, 1992, с. 153-161).

По числу сходных признаков и достигаемому результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Недостатком данного способа является нарушение естественного факела разбрызгивания и трудноопределимая погрешность измерения. Описанный способ позволяет определить лишь наиболее вероятные размеры капель в факеле разбрызгивания, что для практического применения неприемлемо, поэтому изложенный оптико-корреляционный способ распространения не получил.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение объема экспериментальных исследований и повышение точности измерений при определении гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания.

Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемом способе, включающем определение размеров капель и систему уравнений движения капли по криволинейной траектории, на опытной установке фиксируют диаметр лишь одной капли, летящей по наибольшей криволинейной траектории факела разбрызгивания. При этом определяют расчетом начальную скорость вылета капель. Начальный угол вылета капель соответствует наклону плоскости среза выходной кромки разбрызгивающего устройства по отношению к горизонтальной плоскости. Ширину зоны орошения определяют на экспериментальной установке и далее расчетным путем устанавливают размеры всех капель, формирующих капельный поток. В предложенном изобретении данная техническая задача решается постановкой эксперимента.

Отличительными признаками данного изобретения являются сочетание экспериментального определения диаметра большей капли, летящей по наибольшей траектории, и теоретического расчета движения капли по криволинейной траектории.

Это позволяет определять гранулометрический состав капель достаточно оперативно и, не нарушая факел разбрызгивания, выбирать типы разбрызгивающих устройств по степени дисперсности применительно к промышленным охладителям, системам орошения и пожаротушения.

Способ был опробирован при выборе разбрызгивающих устройств для башенных градирен брызгального типа, например, на Петрозаводской ТЭЦ и ряде других объектов.

Способ осуществляется следующим образом: На опытной установке, состоящей из радиального сектора с водонепроницаемыми перегородками, определяют диаметр d одной капли, летящей по наибольшей криволинейной траектории. Поэтому измерение диаметра капель не связано с нарушением капельного потока факела разбрызгивания. По уравнению движения капли при известных углах вылета α_o, начальной скорости V_o и дальности полета капель L можно определять их диаметр d.

Угол вылета α_o определяют по наклону плоскости среза выходной кромки разбрызгивающего устройства с горизонтальной плоскостью. Начальную скорость капли V_o определяют методом подбора по уравнению движения капли (подставляя α_o, d_max, L_max из эксперимента), которая будет одинакова для всех капель, формирующих капельный поток.

Зная α_o, V_o и из эксперимента ширину зоны орошения, задаваясь диаметрами капель от d_max и менее, расчетами определяются размеры капель, формирующих область капельного потока факела разбрызгивания от L_max до L_min.

В случае, если необходимо определить средний диаметр капли в факеле разбрызгивания, то на опытной установке определяют плотность орошения. Зная из эксперимента плотности орошения по радиусу разбрызгивания, определяем число капель каждого диаметра, формирующего объем воды в водосборном секторе экспериментальной установки, и из соотношения: d_ср = Σn_i d_i/n, где n_i - количество капель i-го размера, d_i - диаметр капли, n - общее число капель, получаем средний диаметр капель, образующих капельный поток, или, что ближе к условиям работы атмосферных охладителей: d = Σn_i d³/Σn_i d², где d - диаметр капли, определяющий свободную поверхность капельного потока в факеле разбрызгивания.

Таким образом способ определения гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания заключается в следующем.

Уравнение движения капли по траектории полета имеет вид: где V - скорость капли,
t - время полета капли,
g - ускорение силы тяжести,
η - коэффициент молекулярной вязкости,
r - радиус капли,
f=l+AR_e ^2/3 пpи 3<R<460,
2,6 - коэффициент пропорциональности,
R_e - число Рейнольдса,
ρ_к - плотность капли.

После ряда преобразований получим для вертикальной составляющей скорости движения капли выражение:
w = w_s(1-e^-t/τ)+w_oe^-t/τ,
где w - вертикальная составляющая скорости капли,
w_s - установившаяся скорость падения капли,
w_o - начальная скорость капли.

Путь капли по оси Х выразится соотношением:
X = u_oτ(1-e^-t/τ),
где u_о - горизонтальная составляющая скорости капли,
τ - время релаксации: τ = 2r²ρ_к/9ηf.
Решение этих уравнений получено при различных начальных скоростях вылета капель V_o и различных углах вылета капель α с учетом соотношений w_o = V_osinα, u_o = V_ocosα.

В результате решения этих уравнений (см. график) получены траектории движения (вертикальная и горизонтальная координаты) капель различных размеров в различные моменты времени.

Пример. Расчет траекторий полета капель различной крупности при начальной скорости капли V_o=5,77 м/с, плотности орошения q=3,62 м³/ч, напоре воды 0,03 МПа представлены в таблице и на графике чертежа.

Предложенное изобретение позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований, получить достоверные результаты по крупности капель, составляющих капельный поток разбрызгивающих устройств различных типов.

Формула изобретения

Способ определения гранулометрического состава капель в факеле разбрызгивания, включающий определение размеров капель и систему уравнений движения капли по криволинейной траектории, отличающийся тем, что на опытной установке фиксируют диаметр лишь одной капли, летящей по наибольшей криволинейной траектории факела разбрызгивания, определяя при этом расчетом начальную скорость вылета капель, начальный угол вылета которых соответствует наклону плоскости среза выходной кромки разбрызгивающего устройства по отношению к горизонтальной плоскости, ширину зоны орошения определяют на экспериментальной установке и далее расчетным путем устанавливают размеры всех капель, формирующих капельный поток факела разбрызгивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2