РАСПЫЛЕННЫЕ СТРУИ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Распыленная водяная струя представляет собой массу отдельно летящих капель. Для ее получения применяют специальные насадки, которые называются распылителями. Распыленная струя характеризуется размером капель, их распределением по сечению струи, углом конусности, дальнобойностью, величиной напора перед насадком и расходом.

Капли жидкости при движении находятся под действием сил сопротивления воздуха, сил тяжести и капиллярных сил.

В современной технике нашли широкое применения распыливающие устройства. При пожаротушении используются стволы-распылители, а в стационарных установках пожаротушения различные оросители (спринклеры, дренчеры и т.п.).

В зоне пожара, вследствие высокой температуры, вода превращается в
пар. Скорость и величина теплопоглощения факела распыленной воды
зависят от степени дисперсности капель (чем больше поверхность
единицы объема разбрызгиваемой воды, тем интенсивнее процесс ее испарения).

Суммарная поверхность капель F, которая получается при распылении некоторого объема жидкости , определяется следующим образом:

если при распылении получается n-капель, то

, отсюда .

Так как поверхность каждой капли равна , то полная поверхность всех капель составляет

.

В табл. 6.5 приведены величины поверхности 1 кг распыленной жидкости воды в зависимости от диаметра капель.

Таблица 6.5

На рис. 6.9 дана классификация способов распыливания жидкости.

Струйный распылитель представляет собой цилиндрический насадок, из которого вытекает струя жидкости, распадающаяся на капли и образующая факел с малым углом при вершине. Если насадок выполнен в виде узкой щели, то при выходе из него возникает плоская веерообразная жидкая пленка. На пленке возникают отверстия (перфорации), которые увеличиваются до появления сетки, состоящей из тонких нитей. Эти нити распадаются и образуют цепочки мелких капель.

В распылителе ударного типа вытекающая из сопла струя жидкости соударяется с жесткой стенкой, образующаяся при этом жидкая пленка стекает со стенки, и происходит распад.

Рис. 6.9. Классификация способов распыливания

Одним из вариантов струйного распылителя является распылитель с соударяющими струями. Из точки столкновения двух струй жидкость растекается радиально, образуя пленку, распадающуюся на капли.

В центробежных распылителях (рис. 6.10) жидкость, получившая интенсивное вращение в камере закручивания, вытекает из отверстия в виде тонкой пленки, образующей полый конус. Пленка под влиянием окружающей газовой среды и других возмущений распадается на капли (полый факел распыленной жидкости).

В акустических распылителях с подводом энергии через жидкость пленка дробится под действием вертикальных колебаний пластинки, происходящих с ультразвуковой частотой. На поверхности слоя жидкости, подаваемой на колеблющую пластинку ультразвукового излучателя, возникают стоячие волны, и с гребней этих волн срываются капли, образующие факел.

Во вращающихся распылителях тонкая жидкая пленка, образующаяся при вращении диска или барабана, теряет устойчивость, и происходит распад.

Системы электрического распыливания жидкостей нашли применение в технологических процессах (окраска методом распыливания и пр.).

Рис. 6.10. Центробежная форсунка:

а - вид с торца ( - радиус сопла; - радиус вихря;

- скорость входа жидкости; R - радиус закручивания,

r - радиус факела; U - скорость закручивания жидкости);

б - вид сбоку (1 - “двухгорбое” распределение концентрации

жидкости в факеле распыливания по радиусу r; 2 - сопловый

канал; 3 - жидкая пелена у корня факела; 4 - камера

закручивания; 5 - воздушный вихрь)

В насадках с газовым или пневматическим распыливанием струя или пленка жидкости подводится в спутный газовый (воздушный) поток. На поверхности раздела газа и жидкости возникают неустойчивые волны, и струя (пленка) распадается на капли.

Анализ классификации способов распыливания жидкостей позволяет сделать следующие общие выводы.

1. Течение жидкости перед распыливанием должно быть преобразовано в такие формы (струя, пленка), которые обладают наибольшей поверхностной энергией и поэтому являются неустойчивыми и быстро распадаются.

2. Все рассмотренные способы распыливания жидкости обусловлены потерей устойчивости течений в струях или пленках в связи с возникновением неустойчивых волн на поверхности раздела жидкости и газа.

Для оценки качества распыливающих устройств должны использоваться следующие показатели:

расход воды;

напор перед оросителем;

диаметры и размеры выходных отверстий насадка. формирующих струю;

максимальная длина распыленной струи;

угол и форма факела;

средний размер капель;

площадь и равномерность орошения.

Показатель "Расход воды" рассчитывается по формуле:

.

Формула устанавливает связь этого показателя практически со всеми параметрами, характеризующими конструкцию: m - коэффициент расхода, учитывающий форму и качество внутренней поверхности насадка; d - диаметр выходного отверстия насадка, конструктивный элемент, оказывающий влияние на величину расхода, длину струи при заданном напоре, площадь и интенсивность орошения; H - напор - гидравлический показатель, оказывающий влияние на прочность материала ствола.

Показатель "Максимальная длина распыленной струи" определяется:

диаметром выходного отверстия насадка;

величиной напора;

углом наклона ствола при направлении струи.

Показатель "Угол факела", измеряемый по величине угла конусности распыла, зависит от конструкции распылителя и скорости истечения.

В общем случае на струю жидкости, вытекающую из распылителя, действуют гравитационные силы, инерционные силы, силы поверхностного натяжения, вязкостные силы, а также мгновенные пульсационные силы давления, обусловленные наличием турбулентного перемещения как в самой струе, так и в среде зоны распада.

Тонина распыливания жидкости (полидисперсный поток) оценивается двумя показателями: средним диаметром капель и распределением капель по размерам.

Наиболее часто используются следующие понятия среднего диаметра капель.

1. Средний арифметический диаметр капель:

, (6.24)

где - средний диаметр капли во фракции, насчитывающий n капель и имеющий порядковый номер i; - сумма всех капель.

2. Средний поверхностный диаметр капель:

,

откуда . (6.25)

3. Средний объемный диаметр капель:

,

откуда . (6.26)

4. Средний объемно-поверхностный диаметр капель или средний диаметр по Заутеру:

,

откуда . (6.27)

5. Средний массовый диаметр:

. (6.28)

6. Средний медианный диаметр, определяемый как диаметр капли, который делит всю капельную смесь на две равные по объему или массе части, в одну из которых входят все капли диаметром менее среднего медианного , а в другую - более :

, (6.29)

где k - последняя группа капель с .

В общем случае средний диаметр ((6.24) - (6.28)) рассчитывается по следующей формуле:

,

где f и k - целые числа, определяемые требуемым способом усреднения.

В табл. 6.6 показаны области применения средних диаметров и значения f и k.

Таблица 6.6

Средний диаметр капель не может быть единственным показателем, характеризующим дисперсность распыла, так как для одного и того же среднего диаметра распределение по размерам может быть самое различное. Поэтому для полной характеристики тонины распыла необходимо еще знать распределение капель по размерам (рис. 6.11).

Для характиристики распыленных струй "Площадь орошения" выражается двумя показателями: "Длиной струи" и "Углом факела".

Это объясняется тем, что величина площади орошения не постоянная при различных условиях эксплуатации.

Рис. 6.11. Интегральное распределение капель по размерам пожарных

стволов-распылителей при P = 0,6 МПа на расстоянии 7 м от ствола

В табл. 6.7 представлены технические характеристики ручных пожарных стволов с параметрами распыленных струй.

Пожарные стволы РКС-50, РСП-50 и РСП-70 предназначены для формирования, направления и перекрытия сплошной или распыленной струи воды, а РСКЗ-70 и для образования защитной водяной завесы для индивидуальной защиты ствольщика от интенсивной тепловой радиации.

При падении капли в разных точках ее поверхности создается различное давление. Большее давление имеет место на лобовых участках капли. Вследствие разности давлений внутри капли возникает движение жидкости, капля меняет форму и разрушается на более мелкие части. Разрушение капель происходит до тех пор, пока не установится равновесие между капиллярными силами и динамическим действием воздуха на поверхность капли.

Диаметр капель и другие параметры, характеризующие струю, зависят в основном от способа получения распыленных струй. Практически наибольшее распространение нашли три способа получения распыленных струй: центробежный, пневматический и механический.

Таблица 6.7

Параметры	Пожарные стволы
РСК - 50	РСП-50	РСП-70	РСКЗ-70
Рабочее давление, МПа	0,4 - 0,6	0,4 - 0,6	0,4 - 0,6	0,4 - 0,6
Расход воды, л· : сплошной струи распыленной струи на образование защитной завесы	2,7 2,0   -	2,7 2.0   -	7,4 7,0   -	7,4 7,0   2,3
Дальность струи (по крайним каплям), м: сплошной распыленной
Угол факела, град: распыленной струи водяной защитной завесы с диаметром факела 3 м	40 - 70   -	-	-

При центробежном способе поток жидкости поступает в камеру распылителя тангенциально и, вращаясь, перемещается в направлении к выходному отверстию, находящемуся на торцовой стенке форсунки (рис. 6.12). При истечении жидкости из отверстия частицы жидкости разлетаются по прямолинейным лучам, касательным к цилиндрическим поверхностям, соосным с выходным соплом форсунки.

Рис.6.12. Центробежный распылитель

Угол, образованный вектором скорости с осью сопла, определяется отношением тангенциальной и осевой скоростей из равенства

. (6.30)

Теория движения идеальной жидкости в центробежном распылителе была разработана Г.Н. Абрамовичем и сводится к следующим основным положениям.

На основании теоремы о сохранении момента количества движения при отсутствии сил сопротивления можно записать:

,

где R и r - радиусы вращения рассматриваемого элемента жидкости во входном сечении и при выходе из камеры.

Тангенциальная составляющая скорости жидкости при выходе из отверстия равна

. (6.31)

Согласно уравнению Бернулли, полный напор при условии, что можно принебречь разностью отметок входа и выхода, равен:

. (6.32)

Из уравнений (6.31) и (6.32) следует, что при r = 0 (на оси форсунки) тангенциальная составляющая скорости должна иметь бесконечно большое положительное значение, а давление - бесконечно большое отрицательное значение. Так как в действительности это невозможно, рассматриваемый поток может реально существовать только при периферийном кольцевом участке выходного сечения. Поэтому в осевой части сопла форсунки образуется воздушная полость - воздушный вихрь с давлением, равным давлению в окружающей среде.

Коэффициент живого сечения, характеризующий степень заполнения выходного сечения жидкости, равен:

,

где и радиусы выходного отверстия и вихря, и - площади выходного отверстия и выходного сечения жидкости.

Расход жидкости из форсунки определяется по общей формуле

.

Здесь µ - коэффициент расхода, определяется по формуле, предложенной
Г.Н. Абрамовичем:

,

где А - геометрическая характеристика форсунки;

,

тогда .

Практически чаще всего используются центробежные распылители с коэффициентом расхода µ = 0,24 - 0,65.

Средний размер капель можно определить по приближенной формуле И.Н. Новикова:

,

где - сила поверхностного натяжения жидкости; p - давление жидкости перед форсункой.

Центробежные распылители нашли особенно широкое применение в теплотехнике и энергетике в устройствах для подачи топлива в камеры сгорания. В пожарном деле такие распылители применяются в генераторах высокократной пены.

При пневматическом способе распыливание струи достигается подачей воздуха или пара в выходное сечение водяной струи. Воздух подается либо под давлением, либо эжектируется, используя энергию самой струи. Распылители такого рода нашли большое применение в энергетике. В пожарном деле такие распылители используются в основном для получения пенных и газоводяных струй.

При механическом способе дробление струи происходит вследствие удара ее о преграду. Из-за своей простоты этот способ нашел особенно широкое применение в пожарном деле.

Рис. 6.13. Винтовой распылитель

На рис. 6.13 показан винтовой распылитель ударного действия. Распылитель представляет собой полый винт с переменным и изменяющимся наклоном плоскостей. Каждый виток спирали срезает с водяной струи пленку, которая, ударяясь и срываясь с плоскости, разрывается на отдельные капли. При напоре 60 - 80 м распылитель обеспечивает получение капель размером 100–200 мкм.

Для получения распыленных струй применяют шаровые и щелевые распылители. Широкое применение находят также комбинированные распылители, в которых сочетаются сразу несколько способов распыливания воды.