Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 15 )

Рис. 9. К расчету сетчатого пеногенератора

Определяющими для расчета ω1, ω2, ω3 являются давление, развиваемое насосом (р); минимальная производительность пеногенератора по пене (Qп) и кратность пены (β). Основные конструктивные параметры пеногенератора воздушно-пенного типа небольшой производительности, рассчитанные по уравнениям (5) при заданных значениях β = 10 и Qр = 0,02 м3/мин и проверенные при гидродинамических испытаниях [65, 88] лабораторного образца на установке, изображенной на рис.10, г (где 1 - емкость; 2 - насос; 3 - манометр; 4 - пеногенератор), представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты гидравлических испытаний воздушно-пенного ствола

Диаметр насадки-распылителя, мм	Давление перед стволом, р• 10-5 Па	Расход раствора, Qp•103, м3/мин	Производительность по пене (л/мин) при диаметре трубы	Кратность пены при диаметре трубы
20 мм	14 мм	20 мм	14 мм
3	2	24	140	168	5,8	7,0
2,5	25	175	210	7,0	8,5
3	26	234	280	9,0	11,0
2,5	2	14	70	80	5,0	6,0
2,5	16	96	110	6,0	7,0
3	18	140	180	8,0	10,0
2	2	10,8	52	74	5,0	7,0
2,5	11,5	80	102	7,0	9,0
3	12	96	140	8,0	12,0

Угол наклона насадок-распылителей к оси ствола определяют экспериментально (α = 4-6°). При использовании стволов с α ≥ 8° пена в условиях опыта не образуется, поскольку из-за короткой длины струи в конусной части ствола создается слишком низкое разряжение для подсоса воздуха. Для 1 %-го сульфанола НП-1 в воде давление пенообразующего раствора перед стволом должно быть не менее 0,25-0,3 МПа, так как иначе значительно уменьшится производительность пеногенератора и кратность получаемой пены. Два этих параметра зависят также от диаметра насадки-распылителя, причем диаметр 2,5 мм обеспечивает кратность пены на уровне β = 10. Определенное влияние на кратность пены оказывают размеры трубы: при меньшем диаметре получается пена более высокой кратности.

В расчет сетчатого пеногенератора входит определение параметров распылителя. Например, основным параметром для центробежной форсунки наиболее часто применяемой в качестве распылителя, является геометрическая характеристика А [99]:

А = (D/d) / (S''/S'); (4)

где D и d – соответственно диаметр камеры завихрения; S'' и S' – площади входного и выходного сечений.

С помощью геометрической характеристики А, значение которой задается в зависимости от типа форсунки [100], определяют коэффициент расхода идеальной жидкости ξо, по которому рассчитывается эквивалентная скорость реальной жидкости Vэ = ξоVо. Скорость истечения жидкости Vо можно определить по формуле:

Vо = ψ √ 2Р/ρ, (5)

где Р – давление жидкости; ρ – плотность жидкости; ψ – коэффициент скорости (для воды – 0,97).

При известной массовой производительности пеногенератора G можно определить диаметр выходного сечения центробежной форсунки:

d = (6)

Диаметр камеры завихрения D определяют исходя из принятого значения А и расчетного значения d.

Из геометрических размеров других элементов пеногенератора рассчитывают: dс – диаметр пакета сеток; lд – длину диффузора; dг и lг – диаметр и длину горловины; lр – расстояние от распылителя до передней кромки диффузора (рис. 9). Если известен диаметр пакета сеток, то при α = 8° (угол конусности) геометрические размеры (в мм) пеногенератора рассчитывают [65, 88] по эмпирическим соотношениям:

dг = 0,72 dс; lг = 0072 dс; lр = 0,65 dс; lд = lс. (7)

Площадь пакета сеток Fс рассчитывают в два этапа. При заданной объемной производительности пеногенератора Qп (по пене) площадь пакета сеток вычисляется по уравнению:

Fс = Qп / Vп, (8)

где Vп – оптимальная скорость выхода пены [Vп = 0,25 Rо/(πδ); Rо = 0,06-0,09 м2/с – для обычно применяемых концентраций пенообразователя ПО-1, а размеры ячеек сетки δ принимают равными 0,6-2,0 мм].

Второй этап расчета основных геометрических элементов пеногенератора сетчатого типа предусматривает построение двух графических зависимостей: расхода воздуха от давления (или давления от кратности) и потерь давления от кратности пены. Точка пересечения полученных кривых характеризует расчетное давление перед пакетом сеток и расчетную кратность. Если расчетное значение кратности отличается от заданного более чем на 20 %, изменяют произвольно принятый размер ячеек сетки и повторяют расчет [65, 88]. На рис. 10, а и б представлены результаты испытаний диффузоров с разными углами конусности.

Рис. 10. Зависимости кратности генерируемой пены от давления раствора (а) и концентрации ПАВ (б), а также кратности пены от давления перед пеногенератором при различных концентрациях пенообразователя (в)

Как видно из рис. 10, а, кратность пены с увеличением давления линейно возрастает. Это обусловлено тем, что с увеличением скорости жидкости повышается и эжектирующая способности, а следовательно, и кратность пены. При увеличении концентрации ПАВ в растворе кратность пены также возрастает.

Данные о влиянии «живого сечения» сетки на кратность пены показывают, что существует определенное значение F, которому соответствует максимальная кратность пены. Это обусловлено тем, что при небольших значениях F сопротивление сетки слишком велико и соответственно количество эжектируемого воздуха незначительно. При высоких значениях этого параметра часть воздуха может проходить через сетку, не участвуя в пенообразовании. Влияние диаметра горловины на кратность пены обусловлено снижением местного сопротивления и более эффективным использованием раствора в пенообразовании. Необходимо отметить, что влияние давления на кратность пены неоднозначно и в значительной степени определяется как конструктивными особенностями пеногенератора, так и концентрацией и свойствами пенообразователя. Это подтверждается данными полученными (рис. 10, в) при испытании воздушно-механического сетчатого пеногенератора с вентилятором и использованием растворов хлорного сульфонала.

При расчете центробежно-осевого пеногенератора (рис. 3, в) принимаются следующие допущения: режим барботирования воздуха не зависит от режима работы пеногенератора; гидравлическое сопротивление пеноотвода не зависит от структуры образующейся пены; высота слоя пенообразующего раствора постоянна в течение всего времени работы пеногенератора. Основным конструктивным параметром является диаметр отверстий диспергатора воздуха, обеспечивающий устойчивую работу пеногенератора.

Отрыв пузырька в поле центробежных сил происходит на ранней стадии его формирования, поэтому равновесие пузырька необходимо рассматривать исходя из строгого учета влияния на отрыв его объема и формы. В центробежном поле выталкивающая сила изменяется пропорционально отношению центробежной силы к силе тяжести. Отношение этих сил можно определить путем сравнения ускорений, действующих на пузырек в центробежном и гравитационном полях. Это отношение (или фактор разделения [101]) определяется по уравнению:

К=; (9)

где n – частота вращения, мин–1; Rб - радиус барботажного барабана пеногенератора.

Значение выталкивающей силы, действующей в поле центробежных сил:

F= (10)

где r, R – радиус пузырька и капиллярного отверстия.

Уравнение (9), с учетом соотношения F = 2pRs можно использовать для расчета среднего радиуса пузырька. Даже проверяют условие предотвращения обратного продавливания раствора путем определения наименьшей критической скорости воздуха в барботажном отверстии Vкр по уравнению, приведенному в работе [102], с учетом влияния поля центробежных сил [выражения (9)]. Значение Vкр для выбранного радиуса капиллярного отверстия сравнивают со скоростью воздуха, определенной для пузырькового режима барботирования Vо [101]. Если Vкр Vо, то путем последовательного уменьшения размера капилляра добиваются условия Vкр > Vо. Для нового значения радиуса барботажного отверстия проверяют выполнение заданных требований к дисперстности пены. Если они не выполняются, расчет повторяют, изменив число оборотов барботажного барабана. При выполнении требований к дисперстности пены рассчитывают параметры сжатого воздуха, геометрические размеры барабана, примерную площадь сечения капилляров.

Для генерации пены могут использоваться различные варианты насосных гидродинамических кавитационных пеногенераторов [103, 104], например известны устройства для приготовления технической пены (а. с. 445585 СССР, В28С5/38, опубл. 1974), содержащие рабочий бак, центробежный насос, систему трубопроводов и пневмоцилиндр, при этом центробежный насос соединен высасывающим и нагнетающим трубопроводом с рабочим баком, который оборудован трубкой подсоса воздуха, вмонтированной во всасывающий трубопровод, а на выходе нагнетающего трубопровода закреплено разбрызгивающее приспособление.