СПОСОБ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ФАКЕЛА РАСПЫЛА ДИСПЕРСИОННОСПОСОБНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO ASSESS PARAMETERS OF SPRAY OF DISPERSION-CAPABLE PROCESS LIQUID AND PLANT FOR ITS REALISATION

Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля и регулирования параметров дисперсных сред.
Уровень техники
cp
Известен близкий аналог - оптико-электронный «Способ экспресс-анализа характеристик топливного факела» (патент на изобретение №2259554, опубликован 27.08.2005 г.), заключающийся в том, что экспресс-анализ факела достигается за счет определения локальных распределений капель по размеру в различных точках факела при его сечении лазерной плоскостью. В качестве таких распределений для описания структуры дисперсных сред используют двухпараметрическую зависимость Розин-Раммлера. Определяют параметры D, мкм (характерный средний диаметр капель) и n (константа распределения Розин-Раммлера капель по размеру), характеризующие дисперсность распределенного топлива. Там же описана установка для реализации указанного способа.
Основными недостатками этого изобретения, которые не позволяют достаточно эффективно применять данный способ и установку для измерения и оценки параметров, регулирования и конструирования распылительных устройств (РУ) для получения дисперсных факелов технологических жидкостей с разной заданной степенью диспергирования, являются следующие:
- отсутствует такая важная характеристика дисперсных потоков, как скорость движения капель в разных частях факела распыла. Капли одного размера (тем более жидкого топлива), но двигающиеся с разными скоростями, дадут разный конечный эффект;
cp
cp.
3
- на вход в РУ подают объем жидкости с заданным расходом (например, мл/сек), а на выходе определяют, так называемый, «среднедисперсный» размер D.,мкм, который линейно не увязан с дисперсным микрообъемом (мкм) диспергированной жидкости, поэтому параметр D,мкм, не может служить определителем дисперсного микрообъема, получаемого на выходе из РУ;
- «средние» диаметры для всех диспергированных капель факела жидкости сферической формы с размерами D≥5,0 мкм, - технологически применяемыми в промышленности, медицине, сельском хозяйстве (и в целом ряде других отраслей науки и техники), - в природе не существуют: микрообъемы капель, рассчитанные по виртуальным «средним» диаметрам практически плохо математически коррелируют с микрообъемами, рассчитанными по их фактическим диаметрам.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является преодоление недостатков указанного аналога в части расширения функциональных возможностей способа и установки за счет измерения скоростей диспергированных капель и получения результатов оценки параметров факела распыла посредством анализа величин приведенных интегральных объемов капель на единицу площади с сортировкой по последовательности смежных диапазонов размеров капель.
D
привi
i
привi
i
max
привi
i
max
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>D</mi></msub><mfrac><mo>£</mo><mrow><mn>2</mn><mi>sin</mi><mo>∅</mo><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mfrac></mrow>
3
Для решения этой задачи предлагается способ оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, заключающийся в том, что полученный из распылительного устройства факел жидкости в заданном месте и направлении «рассекают» лазерной световой плоскостью, сформированной из импульсного луча импульсного лазера с помощью оптической системы в виде плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности. Регистрируют фоторегистратором и передают в ЭВМ для дальнейшей обработки импульсное световое изображение рассеченной части факела и определяют параметры дисперсионного распыла капель в данной части факела. При этом дополнительно производят определение скоростей движения капель факела с помощью лазер-доплеровского эффекта, для чего используют излучение дополнительного непрерывного лазера, которое с помощью оптической схемы делят на два пересекающихся луча. В области их пересечения формируют измерительный объем с пространственно-периодическим распределением интенсивности света, при этом частота света, рассеянного движущейся каплей, отличается от частоты падающего света лазера на величину, зависящую от скорости движения капли и однозначно с ней связанную. Это излучение собирают в большом телесном угле с помощью объектива и через диафрагму подают в фотоприемник, где с помощью анализатора спектра производят электронный спектральный анализ частот рассеянного света и определяют центральную частоту спектра f, также фиксируют значение длины волны £ излучения лазера. Скорость движения капли определяют по формуле:
, где ⌀ - телесный угол схождения лучей. Также по зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара (сферы) капли Q=0,524·D, где D - диаметр шара диспергированной капли. Для этого в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных (по ОСТ 10.6.1-2000) классов диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности. В каждом классе от первого минимального до последнего максимального последовательно определяют в общем случае дробный коэффициент приведенного количества n капель класса на единицу площади изображения. Умножают эту величину на объем Q шара капли своего класса для получения величины приведенного на единицу площади суммарного объема капель своего класса. Полученные дискретные величины приведенных на единицу площади суммарных объемов капель всех классов nQ (i=1…i) и общую сумму этих объемов ΣnQ при i=1…i используют в дальнейшей математической статистической и/или интегральной обработке для определения базового параметра-коэффициента поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла. В качестве базового параметра поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла используют выборочное статистическое стандартное (среднее квадратичное) отклонение, характеризующее степень разброса суммарных объемов капель классов от монодисперсного состояния. В общем случае чем эта неотрицательная величина меньше, тем исследуемая часть факела является более монодисперсной.
привi
i
Также могут получать систему световых изображений различных частей факела, в первую очередь, перпендикулярно главной оси распространения факела распыла и определять параметры распыла капель в этих частях факела как по отдельности, так и совместно интегрально по всему факелу с учетом приведения суммарных объемов nQ капель всех классов на общую единицу площади изображений.
Установка для реализации способа оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости включает лазерный импульсный источник света, распылительное устройство формирования факела распыла, оптическую систему для формирования и направления на исследуемую часть факела распыла плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности от лазерного импульсного источника света, цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения исследуемой части факела распыла, ЭВМ для хранения и обработки цифровых сигналов зарегистрированных изображений. При этом установка дополнительно содержит непрерывный лазер, оптическую схему делителя его луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага, цифровой фотоприемник с электронным анализатором спектра частот пространственно-периодического распределения интенсивности рассеянного света в измерительном объеме в исследуемой части факела распыла для определения скоростей движения капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.
Перечень фигур
фиг.1 - принципиальная схема предлагаемой установки;
фиг.2 - схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ;
фиг.3 - схема примера распределения скоростей диспергированных капель в факеле РУ;
фиг.4 - график примера распределения приведенных на единицу площади интегральных объемов монодисперсных капель последовательности смежных диапазонов размеров.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схемы предлагаемой установки для реализации способа позициями обозначены: 1 - непрерывный He-Ne лазер ЛГН-503; 2 - оптическая схема делителя луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага; 3 - объектив с цифровым фоторегистратором (3а); 4 - анализатор спектра; 5 - импульсный лазер ЛГИ-215; 6 - поворотные головки; 7 - комбинированные линзы; 8 - цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения, юстированный по плоскости, секущей факел, и перпендикулярный этой плоскости; 9 - распылительное устройство (РУ); 10 - ЭВМ для хранения и обработки цифровых данных дисперсности сечений факела и скоростей движения диспергированных капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.
Как импульсный рубиновый (ЛГИ-215), так и непрерывный He-Ne (ЛГН-503) лазеры входят в состав одной измерительной голографической установки УИГ-12, но конструктивно в установке расположены раздельно и работают также раздельно. He-Ne лазер смонтирован непосредственно на плите голографического стола и фокусирован на факел форсунки, а импульсный - под плитой, откуда с помощью поворотных головок 6 также фокусирован на тот же факел форсунки. В установке использован метод «лазерного ножа»: луч импульсного рубинового лазера 5 преобразуется в плоский тонкий световой пучок (0,5…1 мм) с равномерным распределением его интенсивности с помощью оптической системы 7, представляющей собой комбинацию короткофокусной цилиндрической линзы и длиннофокусной телескопической системы с переменным фокусным расстоянием. Импульс «лазерного ножа» (5 микросекунд) рассекает факел работающей форсунки в заданном месте. Все капли, попавшие в плоскость сечения, регистрируются цифровым фоторегистратором 8, расположенным строго перпендикулярно этой плоскости и юстированным по отношению к ней. Так как рабочая толщина «лазерного ножа» - от 0,5 до 1 мм, а размер капель меньше по крайней мере на порядок, то основная масса капель (90…95%) освещены полностью и дают достаточно объективную информацию о своем истинном размере. Капли, попавшие в плоскость «лазерного ножа», не рассекаются им, а только освещаются в течение 5 микросекунд и дают возможность неразрушающим контролем оценить свои размеры с помощью фоторегистратора с последующей обработкой и расчетом.
Пример осуществления способа
На установке проводились сравнительные исследования факелов пневматических форсунок типа «Г-2м» с закруткой и без закрутки распыляющего сжатого воздуха. Разбивая зону факела вдоль оси и в поперечном направлении на участки и соизмеряя скорость газового потока и капель жидкости в каждом из них, была визуализирована картина течений жидкости и газа. На фиг.2 представлена схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ - схема истечения воздушного потока из кольцевого зазора форсунки с закруткой сжатого воздуха. Воздух раскручивали с целью увеличения угла раскрытия факела и снижения его дальнобойности. Исследования показали, что при закрутке сжатого воздуха вблизи среза жидкостного сопла образуется область пониженного давления (зона I) с циркуляционными областями обратных токов (зона II). Пониженное давление в ней искривляет траекторию струи, которая быстро примыкает к оси симметрии. Размер области обратных токов не превышает 3…5 калибров жидкостного сопла. При распылении жидкости в закрученном потоке сжатого распыливающего воздуха (P=1 бар) были экспериментально замерены скорости капель и выявлены их существенные различия в разных частях факела форсунки, распределение которых приведено на фиг.3. Закрутка распыливающего воздуха способствует интенсивному расширению факела от среза сопла, увеличению угла раскрытия с 17…19° (прямой незакрученный поток) до 45…55° и быстрому затуханию скорости вдоль оси.
Полученная с помощью лазерной техники информация о скоростях движения капель распыляемой жидкости и полях скоростей всего факела становится еще одной важной характеристикой оценки эффективности конкретного РУ и путей совершенствования его конструкции, открывает возможность разработки новых РУ. Так, например, при работе топливных форсунок различие скоростей движения капель одинакового размера в разных частях факела в два и более раз может привести к их неполному сгоранию, т.к. одновременно идут процессы интенсивного испарения и горения. Новые РУ должны разрабатываться не только с целью достижения монодисперсного распыла, но и с такими скоростями движения капель, которые обеспечат их максимально полное сгорание, учитывая объем и конструкцию камеры сгорания. Такой подход способен обеспечить наивысшую энергоэффективность и снизить расход жидкого топлива.
Таким образом, использование лазерной техники в исследовании факела позволило:
- оценить скорость движения капель (так для одной из пневматических форсунок эта скорость в различных частях факела менялась в интервале 70...120 м/сек);
- обнаружить зону обратных токов вблизи жидкостного сопла для закрученных потоков;
- увидеть зону нераспавшейся струи, где струя жидкости начинает распадаться на капли;
- обнаружить немонотонность распределения концентраций капель в поперечном сечении факела, причем эти концентрации в разных частях факела могут различаться на порядок.
Также в способе предложено использовать систему единиц измерений дисперсности (поли - или монодисперсности), обусловленную следующими парадигмами:
- как размер, среднеобъемные, медианно-массовые и другие «средние» диаметры капель не могут по определению быть системообразующими единицами измерений дисперсности, так как все они не являются количественной, физико-химической, энергетической, экономической мерой дисперсионно-способных жидкостных систем (ДЖС) и их невозможно инструментально измерить.
- как агрегатные состояния вещества любые ДЖС характеризуются микрообъемами капель и их числом (количеством) в зависимости от степени диспергирования этих микрообъемов в общем объеме ДЖС, а для нормирования сравнительного анализа - с приведением этого количества к единице площади;
- в физико-математическом смысле полидисперсность - квадратичное отклонение объемов капель от монодисперсного. Это отклонение (практический разброс капель по их числу (количеству), размерам и объемам в зависимости от степени диспергирования объемов) следует называть коэффициентом поли- или монодисперсности, математически равным корню квадратному из дисперсности.
3
3
15
3
12
3
В качестве основной системной единицы дисперсности принимается дисперсный кубический микрон с размерностью мкм - микрообъем шара (сферы) капли в соответствии с классической формулой объема шара: Q=0,524·D, где D - диаметр диспергированной капли в мкм. Внесистемные единицы объема дисперсности: 1 л=10 мкм; 1 мл=10 мкм.
В примере реализации способа в таблице и на фиг.4 представлены результаты измерения зарегистрированных на предлагаемой установке данных и оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости.
Таблица
Клас-совыйпромежу-ток (поОСТ 10.6.1-2000)
Диапазон диаметров капель класса, мкм
Средний диаметр капель класса, мкм
Приведенное количество капель на единицу площади, шт/см<sup>2</sup>
Приведенный объем в классе, мкм<sup>3</sup>/см<sup>2</sup>
%-доля жидкости, заключенной в каплях класса
1-3
14-41
28
303,60
3,3·10<sup>6</sup>
0,32
3-5
42-69
56
239,30
20,2·10<sup>6</sup>
2,13
5-7
70-97
84
121,40
34,4·10<sup>6</sup>
3,40
7-9
98-125
112
60,71
41,0·10<sup>6</sup>
4,13
9-11
126-153
140
41,67
55,4·10<sup>6</sup>
5,52
11-13
154-181
168
41,67
95,2·10<sup>6</sup>
9,60
13-15
182-209
196
23,81
86,7·10<sup>6</sup>
8,70
15-17
210-237
224
19,44
107,0·106
10,60
17-19
238-265
252
11,61
85,0·106
9,00
19-21
266-293
280
6,55
69,2·106
7,00
21-23
294-321
308
4,17
58,8·106
5,80
23-25
322-349
336
3,21
58,6·106
5,80
25-27
350-377
364
2,14
50,0·106
5,03
27-29
378-405
392
1,67
48,5·106
4,87
29-31
406-433
420
1,19
29,0·106
4,30
31-33
434-461
448
0,83
36,2·106
3,62
33-35
462-489
476
0,65
33,8·106
3,42
35-37
490-517
504
0,48
29,6·106
2,95
37-39
518-545
532
0,30
21,8·106
2,20
39-41
546-573
560
0,12
10,2·106
1,01
41-43
574-601
588
0,06
5,6·106
0,60
Сумма
-
-
-
979,5·106
100
2
По приведенным на единицу площади (1 см) интегральным (аддитивным) объемам (объем капель на их кол-во на ед. площади) и классическим формулам выборочных характеристик среднеквадратичное отклонение (квадратный корень из дисперсии), принимаемое как коэффициент поли- или монодисперсности, оказалось равным 2,87.
По другим авторским формулам и производным единицам дисперсности оценки коэффициента поли- или монодисперсности величина коэффициента поли- или монодисперсности также оказывается достаточно близкой к величине, полученной по классическим формулам, а именно равной 2,98. Этот результат был получен в результате обработки данных таблицы с помощью следующих авторских формул и единиц дисперсности.
п/м
Единица степени диспергирования микрообъемов жидкости - геометрический (общий) коэффициент поли - или монодисперсности ДЖС K по формуле:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mn>1,</mn><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>ъ</mi><mi>е</mi><mi>м</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где:
1
прив
- K, - квадратичное отклонение приведенных диаметров капель от монодисперсного:
<mrow><msub><mi>К</mi><mn>1</mn></msub><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
объем
K, - квадратичное отклонение микрообъемов капель и числа (количества) капель, содержащихся в аддитивном (интегральном) микрообъеме, от монодисперсного:
<mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>ъ</mi><mi>е</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mn>3</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>max</mi></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mn>3</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msubsup><mi>K</mi><mn>1</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow>
Установленные единицы измерений дают основание сформулировать когерентную систему уравнений связи: систему измерений дисперсности в соответствии с законом сохранения массы вещества и канонами международной системы единиц.
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>1,</mn><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>2,</mn><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msub><mn>,100</mn><mi>%</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>0,524</mn><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>D</mi><mi>min</mi></mrow><mrow><mi>D</mi><mi>max</mi></mrow></munderover><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>i</mi><mn>3</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>K</mi><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>м</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>К</mi><mrow><mi>п</mi><mo>/</mo><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mn>3</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>≈</mo><mn>90</mn><mi>%</mi></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>i</mi><mn>3</mn></msubsup><msub><mrow /><mrow><mo>,</mo><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≈</mo><mn>10</mn><mi>%</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>=</mo><mn>1,0</mn><mo>;</mo><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mo>:</mo></mrow>
Примечание: ≈90% (max) и ≈10% (min) - распределение объемов жидкости, содержащейся в соответствующих накопленных интегральных объемах капель (по ОСТ 10.6.1-2000).
Расчетные результаты данных таблицы по вышеприведенным авторским формулам были получены следующие:
1,прив
K=3,44
2,объем
K=2,59
п/м
К=2,98
п/м
По опыту практической работы авторов нахождение величины К в диапазоне 1…2 означает близкое к монодисперсному состояние капель, в диапазоне 2…5 - пограничное состояние между моно- и полидисперсным, >5 - полидисперсное состояние исследуемой части факела. При этом надо стремиться к исключительно монодисперсному состоянию ДЖС.
Предлагаемый способ дает конструктору и испытателю возможность на основе анализа полидисперсности получить заданную степень диспергирования жидкостей на выходе из РУ при расчетах, конструировании, стендовых испытаниях и внедрении энергетических характеристик, например:
- скорости истечения потока капель в единицу времени (м/сек);
2
3
2
- осаждения микрообъемов капель и их числа (количества) на единицу площади (л/га; мл/см; мкм/см);
3
- распределения микрообъемов капель и их числа (количества) по рабочему объему камеры сгорания (мкм/объем к.с.)