Wpływ pulsacji strugi na intensyfikację procesu koalescencji

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 87

1984 Nr kol. 806

Krystyna DEZOWIECKA-KABSChT Henryk MELOCH** Henryk ZALEWSKI*

Politechnika Wrocławska

WPŁYW PULSACOI STRUGI NA INTENSYFIKACOf PROCESU KOALESCENCDI Streszczenie: W pracy przedstawiono koncepcję intensyfikacji procesu koalescencji poprzez pulsację dwufazowej strugi(powie- trze - krople olej u).Zaprezentowano stanowisko i metodykę ba

dawczą oraz przytoczono wyniki badań służące weryfikacji tej koncepcji.

1. Wstąp

Znaczne rozdrobnienie mgły olejowej stanowi istotną przyczynę w osiąg

nięciu zadowalających skuteczności jej separacji. Dokonanie wstępnej ko

rekty składu granulometrycznego mgły, poprzez intensyfikscję koalescen

cji 3eJ kropel może wpłynąć na podwyższenie efektywności procesu sepa

racji. Dedną z takich możliwości wydaje się być wprowadzenie cząstek mgły olejowej w niestacjonarną strugę powietrza^charakteryzującą się pulsacjami o niskiej częstotliwości.

2. Aeromechaniczne czynniki wywołujące koalescencję cząstek

Wokół cząstek, poruszających się w układzie polldyspersyjnym, wytwa

rzają się niejednorodne pola aerodynamiczne, wzajemnie oddziaływające na siebie. Cząstka "wpadająca" w ślad aerodynamiczny opada szybciej niż cząstka opadająca swobodnie. Ten efekt wywołuje grawitacyjną koalescen- Cję cząstek, o ile ich środki ciężkości znajdują się na wspólnej linii Bił pola ciężkości.

W procesach koalescencji rola efektu "wciągania" w ślad aerodynamicz

ny może być zwielokrotniona w przypadku, kiedy w rozproszonym ośrodku pojawię się siły skierowujące lekkie cząstki w ślad aerodynamiczny czą

stek cięższych. Siły takie mogą być wywołane n p . turbulencją ośrodka rozpraszającego. Fluktuacje turbulentne mogą dodatkowo przyśpieszyć koalescencję elektrostatyczną poprzez zniszczenie otoczki poruszającej się cząstki [i].

Z fizycznego punktu widzenia wpływ turbulencji na intensyfikację pro

cesu koalescencji polega na tym, że w rozpatrywanej przestrzeni pojawia

ją się lokalne wzrosty koncentracji cząstek wywołane fluktuacją , co prowadzi między innymi do zmiany prędkości koalescencji w porównaniu z zagadnieniem stacjonarnym. Sprzyjać to może w efekcie szybszemu poja

wieniu się cząstek większych.

(2)

162 K. Jeżowlecka-Kabsch 1 Inni

3. Koncepcja metody koalescenc.il czystek mgły ole jowe.1

Przedstawione rozważania wskazuję, źe intensyfikacja procesu koales- cencji częstek jest możliwa poprzez podniesienie stopnia turbulencji przepływającego aerozolu (w szczególności polldyspersyjnego ) .

Dednym ze sposobów turbulizacji strugi może być wymuszenie pulsacji poprzez periodyczne zaburzenia wywołane mechanicznie obracajęcę się przysłonę umieszczonę w przewodzie doprowadzajęcym powietrze z mgłę olejowę. Wytwarza się w ten sposób strugę niestacjonarnę - pulsujęcę, charakteryzujęcę się stałym kierunkiem prędkości o module zmieniajęcym się periodycznie (rys. l) . Prędkość oscyluje więc w czasie t wokół

1?ys. .1. Charakterystyka strugi puleujęcej

wartości średniej "u. Według ^2,3j pulsacja podnosi intensywność turbulen

cji strugi, przy czym najwyższę (£■ » 40 % ) uzyskać można przy pulsa- cjach o niskiej częstotliwości ( do 20 Hz) .

Należy zatem sędzić, że wytworzenie niestacjonarnego przepływu aero

zolu. powietrze - mgła olejowa poprzez wywołanie jego pulsacji o niskiej częstotliwości może prowadzić do intensyfikacji procesu koalescencji częstek mgły olejowej.

4. Stanowisko i metodyka badań

Celem weryfikacji postawionej hipotezy podjęto próbę Jakościowego określenia wpływu fluktuacji turbulentnych, wywołanych pulsację dwufazo

wej strugijzłożonej z powietrza oraz częstek mgły olejowej, na względnę zmianę wielkości częstek.

Badania koalescencji mgły olejowej przeprowadzono na stanowisku przed

stawionym schematycznie na rys. 2. Zaprojektowane stanowisko umożliwiałoś - regulację natężenia przepływu aerozolu ( w zakresie do Q«0,054 m3/ s )

oraz Jego pomiar,

- wytworzenie periodycznych zaburzeń przepływu aerozolu o regulowanej i utrzymywanej na odpowiednim poziomie częstotliwości,

- pobór próbek gazu zawierajęcego mgłę olejowę. oraz

- nefelometryczny pomiar koncentracji masowej mgły olejowej.

Pomiary względnej zmiany wielkości częstek wykonywano metodę pośrednlę, przyjmujęc zgodnie z prawem Reyleigha [4] , że miarę zwiększania się promieni częstek i ewentualnej zmiany ich gęstości rozmieszczenia w cza

sie koalescencji Jest zmętnienie zolu. Stopień zmętnienia może być okreś

lony liczbowo poprzez intensywność światła w określonym zakresie widma.

Natężenie światła rozproszonego mierzono nefelometrycznie. Periodyczne zaburzenia przepływu aerozolu wywoływano pulsatorem. Wymienne elementy

(3)

Wpływ pulsacli strugi . 163

sonda

nefelometr generator pulsacji

^ p ły n n ą regulacją obrotów

sonda

piec z dozownikiem

° leJU

:a poi ______

ę 35.1A9.8 I <*=0,7)

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego

odcinka badawczego i pulsatora umożliwiały zmianę parametrów generowanej strugi. Odpowiednie warianty konstrukcyjne generatora pulsacji oznaczano jak na rys. 3.

iymbol d, mm A*/Ac S I 58 “ 3 */•

S2 56 “ 7 %

S 3 53 -11 */o S4 50 -16 •/.

-

V 1 >

60

Aw/A^-stosunek pola przekroju wolnego, kiedy przysłona przesiania maksymalnie przekrój rurociągu

Sym b o l C h arak terystyk o przewodu za przysłona K 1 niezmienno śre d n ica ę60mm

K 3 ^

----

ro zszerzen ie ś 6 0 / ó 8 0 m m

Rys. 3. Zestawienie wariantów konstrukcyjnych generatora pulsacji Zastosowany napęd elektryczny u ożliwił płynnę regulację obrotów przy

słony od O do 10 s- 1 , co odpowiadało częstotliwości przymykania przysło

ny 0-20 s“l , a zatem częstotliwości pulsacji strugi 0-20 Hz.

W celu uproszczenia rozważań i jakościowej interpretacji wyników po

miarów przyjęto następujęce założenia:

- intensywność światła rozproszonego na rzeczywistym zbiorze częstek polidyspersyjnych odpowiada intensywności światła rozproszonego na zbiorze częstek monodyspersyjnych o jednakowej średnicy równej śred

niej średnicy liniowej częstek zbioru polidyspersyjnego,

- periodyczne zaburzenia przepływu strugi aerozolu nie powoduję zmian koncentracji masowej częstek, natomiast zmiany intensywności światła rozproszonego mierzone nefelometrycznie świadczę o zmianach koncentra

(4)

K. Beżowlecka-Kabsch l inni

cji ilościowej i rozmiarów częstek; stanowię one zatem miarę stopnia koalescencji,

- koncentracja częstek mierzona nefelometrycznie przy pulsacyjnym przep

ływie aerozolu traktowana jest jako pozorna koncentracjs masowa.

Oznaczajęc przez:

d - średnię średnicę liniowę częstki, s - koncentrację mas o w ę , N - koncentrację ilościowę częstek w gazie, g - gęstość oleju oraz indeksami

1 - wielkości odniesione do przepływu stacjonarnego, 2 - wielkości odniesione do przepływu pulsujęcego,

zauważamy, że koncentracja masowa mgły ole jowe j , zdefiniowana jako stosu

nek masy oleju do jednostkowej objętości aerozolu/w y n o s i :

ird 3 ird 3 d_ ) n

i Ni ' — 5 § n2 = s » c°"st = * ^ 1 j q C1) T

3 ji"d

ponadto --- g— § = s;[ (2)

OT d13

5 ^S

N2 " S2 , (3)

gdzie: s2 - pozorna koncentracja masowa przy włęczonym pulsatorze zmierzona nefelometrycznie.

Dzielęc stronami zależności (3) i (2) otrzymujemy;

ł ■ ³ ' w

a zatem względna zmiana średnicy częstek dg/d^ jest proporcjonalna d° - ^ Sl/s2 '•

5. Analiza badań weryfikujących

Badania przeprowadzono przy natężeniu przepływu scharakteryzowanym liczbę Reynoldsa Re = 5,7*104 . Przy zadanych koncentracjach poczętko- wych s=50,100,150 mg/m3 i przy określonych wariantach konstrukcyjnych/

będęcych odpowiednię kombinację wariantów przysłony SI, S4 oraz ukształ

towania przewodu za przysłonę Kl,K3. zadawano częstotliwości pulsacji strugi od 0 ^odpowiadajęcej strudze stacjonarnej j d o 20 Hz. Odczytywane wskazania nefelometru pozwoliły:

- kontrolować koncentrację generowanej mgły olejowej w strudze stacjo

narnej ,

- określać koncentrację pozornę przy zadanej częstotliwości pulsacji.

2 zamieszczonych w [5^ wyników badań na uwagę zasługuję wykresy:

rys. 4 ; przedstawiajęcy wpływ wariantów konstrukcyjnych na wartość kon

centracji pozornej, rys. 5, obrazujęcy zależność wartości pozornej kon

centracji masowej od częstotliwości pulsacji przy najkorzystniejszym

(5)

Wpływ p u l s a d l struoi__ 165

s , , m g / m

1

120

80

40

R N . *

zr— ^ ■ ▼

V

^« <N » I5I K3

X\S4K3

\

^‘— ^_ _____ Ns*. ki

1 ^X

--- 4$1 K 1

10 15 20 f.Hz

Rys. 4. Wpływ wariantów konstrukcyjnych na wartość koncentracji pozornej (8=150 rag/m3)

, fmg/m/ 3

1\

*

a !

" S | m

l ^

i

____

---

—JiS-

10 15 20 f , Hz

Rys. 5. Zależność pozornej koncentracji masowej od częstotliwości pulsacji - w a r i a n t S4K1 .

di

Rys. 6. Zależność względnej średniej wielkości częstek od często

tliwości pulsacji - wariant S4K1 o - s » 50 mg/«3 , o - s = 100 mg/m3 , U - s = 150 mg/m3,

wariancie konstrukcyjnym S4K1 iraz rys. 6, będęcy graficznę ilustrację zmian względnej średniej wielkości częstek wywołanych pulsację strugi.

Wyniki badań wskazuję, źe częstotliwość pulsacji strugi, a zatem in

tensywność jej turbulencji istotnie wpływa na zmiany pozornej koncentra

cji masowej fazy dyspersyjnej, stanowięc ważki czynnik intensyfikacji procesu koalescencji. Wyraźny wpływ oddziaływania pulsacji widoczny Jest przy jakościowej analizie wyników badań wariantu S4K1 w zakresie maksy

malnych intensywności turbulencji,odpowiadajęcych (zgodnie z [2])częstor tliwościom pulsacji 5t10 Hz; obserwuje się wówczas maksymalne zwiększe

nie średniej średnicy liniowej częstek.

(6)

K. Oeżowlecka— Kabsch 1 Inni

6 . Wnioski

Analiza aeromechanicznych czynników wywołujących koalescencję, rezul

taty dotychczasowych prac [2,33 dotyczących strug pulsujących oraz wy

niki badań weryfikujących (Jakościowych) pozwalają sformułować nastę

pujące wnioski:

- źródłem intensyfikacji koalescencji perikinetycznej mogą być fluktua

cje turbulentne, wywołane pulsacją strugi aerozolu,

- w zakresie częstotliwości pulsacji SrlO Hz obserwuje się znaczne obniżenie pozornej koncentracji masowej, co odpowiada powiększeniu średniej średnicy liniowej cząstek mgły olejowej,

- intensyfikacja procesów koalescencji poprzez wymuszanie pulsującego przepływu aerozolu wydaje się jedną z korzystniejszych dróg podwyż

szenia skuteczności separacji cząstek aerozoli ciekłych, w tym także mgły olejowej.

7. Literatura

[l] Voloscuk V.M., Sedunov 3 . i Processy koagulacji v dispersnych sistemach, Gidronieteoizdat, Leningrad 1975

[23 Favre - Marinet M.J Structure des jets pulsants, These de Docteur - Ingenieur, •' Institut de Mecanique de Grenoble, 1975

[3] Ginevskij A.C.; Teorije turbulentnych struj i sledov, Ma^inostro- Jenie, Moskva 1969

[4] Kuhn A. ( red^; Chemia koloidów, P W N W a r s z a w a 1957

[5] Meloch H., Kabsch P., Kaczmarski K.J Opracowanie sposobu oraz podstaw konstrukcji urządzeń do separacji mgły olejowej emitowa

nej w procesach obróbki mechanicznej z zastosowaniem w procesie oczyszczania kontaktorów iniekcyjnych. Etap II .1

Raporty Instytutu Inżynierii Ochrony środowiska Politechniki Wrocławskiej, Seria SPR Nr 21/83, Wrocław 1983.

* - Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów

— Instytut Inżynierii Ochrony środowiska

(7)

Wpływ pulsed 1 strugi.. 167

ynHflHHIü nyjIkCAUHH CTPyH HA HHTEHCH»HKAUîU3 nPOUECCA KOAJIECUEHUHH

p e s r u e

B p a O o i e n p e s a o i e n a K O H u e m y t a n H T e H C K $ a K a u H H n p o u e o c a KoajiecuejmnH ny- t e u n y a B o a u K H AByxi>a3Hoń c x p y a B 0 3 A y x - KaajiH uacjia. üpeAciaBjieao isixe Kosejib h u e x o A H K y HCCjiesoB&Hiî«.

THE EFFECT OF THE STREAM PULSATION ON THE INTENSIFICATION OF THE COALESCENCE PROCESS

S u m m a r y

The paper presents a conception of the intensification of the coales

cence process through the pulsation of a two phase air-oil-drops stream.

The type of work-stand snd research methodology are given.