Тваринництво та технології харчових продуктів

Дослідження та застосування форсунок з нахиленими підвідними каналами для струминних сульфітаторів цукрової промисловості

Віталій Пономаренко, Дмитро Люлька, Володимир Василів, Роман Якобчук, Євген Бабко, Юлія Слива
Завантажити статтю
Анотація

Стаття присвячена дослідженню процесу розпилення рідини форсунками, що застосовуються в струминних сульфітаторах цукрової промисловості або як окреме обладнання. Розпилювачі рідин відіграють основну роль в забезпеченні ефективної роботи тепломасообмінного обладнання внаслідок створення значної поверхні контакту. При проектуванні або аудиті його технічної досконалості необхідно мати достовірні гідродинамічні характеристики розпилювачів. Роботи такого направлення є актуальними. Метою статті було встановлення всіх характеристик течії рідини в елементах форсунки та факелу розпилення за допомогою комплексного дослідження (експериментального та комп’ютерного) для можливості інтенсифікації роботи обладнання, зокрема сульфітаторів для цукрової промисловості. Для досягнення поставленої мети було використано експериментальні (дослідження форсунок та ежекторів на гідравлічному стенді), CFD-дослідження зазначених об’єктів в модулях програми ANSYS (версія: ANSYS 2020 R2). Експериментально встановлено залежність коефіцієнта витрати форсунок від тиску рідини та кількості підвідних каналів для різних типів форсунок (струминної, відцентрово-струминної). Експериментально підтверджено, що рівномірність розподілення рідини в факелі форсунки з двома підвідними каналами була високою та достатньою для практичного застосування. При CFD-дослідженні характеристик факелу розпилення форсунок було запропоновано зменшити розрахункову область до зрізаного конусу, що дозволило скоротити час розрахунку. При моделюванні гідродинаміки рідини в форсунці визначено чисельно характерні швидкості як в елементах форсунки, так і в соплі. Встановлено наявність у прикореневій зоні розрідження, що досягала 865 Па для даної форсунки при тиску рідини на вході 0,25 МПа, що приводило до ежектування газу всередину факела. Наведена методологія розрахунку актуальна при визначенні характеристик форсунок, при розробці, проектуванні нових розпилювачів з заданою продуктивністю та факелом розпилення, що застосовуються і як активні сопла ежекторів, і як самостійне обладнання для диспергування технологічних рідин харчової промисловості

Ключові слова

виробництво цукру; сульфітація рідини; розпилювач; коефіцієнт витрати; СFD-моделювання; гідродинаміка; факел розпилення

ЦИТУВАТИ
Ponomarenko, V., Liulka, D., Vasyliv, V., Yakobchuk, R., Babko, Ye., & Slyva, Y. (2024). Research and application of nozzles with inclined inlet channels for jet sulphitators in the sugar industry. Animal Science and Food Technology, 15(4), 80-101. https://doi.org/10.31548/animal.4.2024.80
Використані джерела

[1] Ayuba, N., & Lopes, G.C. (2023). Investigation of the influence of turbulence models on cough droplet evaporation: Comparing (SST) k-Ω, k-ε, and Reynolds Stress (RSM) turbulence models. In Y. Iano, O. Saotome, G.L. Kemper Vásquez, C. Cotrim Pezzuto, R. Arthur & G. Gomes de Oliveira (Eds.), Proceedings of the 7th Brazilian Technology Symposium (BTSym 2021). Smart innovation, systems and technologies, 207 (pp. 151-162). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3031-04435-9_15.

[2] Haidl, J., Mařík, K., Moucha, T., Rejl, F.J., Valenz, L., & Zednikova, M. (2021). Hydraulic characteristics of liquid-gas ejector pump with a coherent liquid jet. Chemical Engineering Research and Design, 168, 435-442. doi: 10.1016/j.cherd.2021.02.022.

[3] Han, H., Wang, H., Zhang, Q., Du, Y., Wang, H., & Wang, H. (2023). Investigations of the effects of two typical jet crushing methods on the atomization and dust reduction performance of nozzles. International Journal of Coal Science & Technology, 10, article number 50. doi: 10.1007/s40789-023-00606-4.

[4] Han, H., Wang, P., & Liu, R. (2020). Experimental study on atomization characteristics and dust-reduction performance of four common types of pressure nozzles in underground coal mines. International Journal of Coal Science & Technology, 7, 581-596. doi: 10.1007/s40789-02000329-w.

[5] Von Helldorff, H., & Micklow, G.J. (2019). Primary and secondary spray breakup modelling for internal combustion engine applications. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology, 6(4), 9882-9894.

[6] Hou, Y., Chen, F., Zhang, S., Chen, W., Zheng, J., Chong, D., & Yan, J. (2022). Numerical simulation study on the influence of primary nozzle deviation on the steam ejector performance. International Journal of Thermal Sciences, 179, article number 107633. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107633.

[7] Kim, S., Nocivelli, L., Zhang, A., Voice, A.K., & Pei, Y. (2024). Realistic fuel spray modeling for gasoline direct injection engine applications. International Journal of Engine Research, 25(3), 388-404. doi: 10.1177/14680874231210929.

[8] Kramm, K., Orth, M., Teiwes, A., Kammerhofer, J., Meunier, V., Pietsch-Braune, S., & Heinrich, S. (2023). Influence of nozzle parameters on spray pattern and droplet characteristics for a two-fluid nozzle. Chemie-Ingenieur-Technik, 95(1-2), 151-159. doi: 10.15480/882.4895.

[9] Kumar, A., Ghobadian, A., & Nouri, J. (2022). Numerical simulation and experimental validation of cavitating flow in a multi-hole diesel fuel injector. International Journal of Engine Research, 23(6), 958-973. doi: 10.1177/1468087421998631.

[10] Lee, T.-W., Greenlee, B., & Park, J.E. (2021). Computational protocol for spray flow simulations including primary atomization. Journal of Fluids Engineering, 143(3), article number 031402. doi: 10.1115/1.4049115.

[11] Li, W., Zheng, Y., Shao, H., Wang, X., Chen, X., & Gao, Y. (2024). Experimental and numerical simulation studies on the atomization characteristics of the internal mixing nozzle and its field application. Mining, Metallurgy & Exploration, 41, 1099-1120. doi: 10.1007/s42461-024-00955-x.

[12] Metsue, A., Nesreddine, H., Bartosiewicz, Y., & Poncet, S. (2024). Theoretical analysis of the optimal ejector operation and design within an ejector-based refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 168, 334-344. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2024.09.020.

[13] Mudavath, V., & Arumuru, V. (2023). Impingement heat transfer characteristics of nozzles with inclined exits. Experimental Heat Transfer, 37(6), 541-556. doi: 10.1080/08916152.2023.2166162.

[14] Nguyen, Q.Q., Phung, D.V., Nguyen, K.T, Pham, H.Q, Pham, T.V., Vu, T.N., Pham, P.X., & Duong, C.Q. (2024). An approach to design an air-liquid supersonic ejector for producing aerosol spray. SAE Technical Paper, article number 2024-01-5068. doi: 10.4271/2024-01-5068.

[15] Oluwadero, T.A., Xuereb, C., Aubin, J., & Poux, M. (2023). Effect of jet nozzle position on mixing time in large tanks. Processes, 11(7), article number 2200. doi: 10.3390/pr11072200.

[16] Park, S., & Park, K. (2022). Principles and droplet size distributions of various spraying methods: A review. Journal of Mechanical Science and Technology, 36, 4033-4041. doi: 10.1007/s12206-022-0724-3.

[17] Santosh, Shirwal, S., Sushilendra, Raghavendra, V., Mareppa, H., & Vinutha, K. (2023). Assessment of nozzle spray characteristics for agriculture spraying. International Journal of Environment and Climate Change, 13(12), 527-536. doi: 10.9734/ijecc/2023/v13i123710.

[18] Shulhin, A., Samulieiev, V., Chemerys, Y., & Trehub, O. (2022). The model adaptation of the two-nozzle swirl atomizer for the design-experimental research of the working process in the main combustionchambers of turbojet engines. Collection of Scientific Works State Research Institute of Aviation, 18(25), 117- 122. doi: 10.54858/dndia.2022-18-18.

[19] Sijs, R., Kooij, S., & Bonn, D. (2023). Droplet size from Venturi air induction spray nozzles. Experiments in Fluids, 64, article number 43. doi: 10.1007/s00348-023-03582-2.

[20] Stallbaumer-Cyr, E.M, Aguilar, J., Betz, A.R., & Derby, M. (2024). The effects of Surfactin on sprayed droplets in flat fan, full cone, and low energy precision application bubbler nozzles: Droplet formation and spray breakup. Frontiers in Mechanical Engineering, 10, article number 1354664. doi: 10.3389/fmech.2024.1354664.

[21] Vambol, S., Khan, N.A., Khan, A.H., Kiriyenko, M., Borysova, L., Taraduda, D., Zakora, A., & Bilotserkivska, N. (2020). Developed jet-centrifugal spray devices: Experimental testing to establish the possibility of their application in plants spraying technologies. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 102(1), 30-41. doi: 10.5604/01.3001.0014.6326.

[22] Verbiawan, E.A., Ramadhan, M.R., Sumada, K., Muljani, S., & Pujiastuti, C. (2023). Spray nozzle technology to accelerate seawater evaporation in conventional salt production. Jurnal Teknik Kimia, 18(1), 52-57. doi: 10.33005/jurnal_tekkim.v18i1.4125.

[23] Vhora, K., Janiga, G., Lorenz, H., Seidel-Morgenstern, A., Gutierrez, M.F., & Schulze, P. (2024). Comparative study of droplet diameter distribution: Insights from experimental imaging and computational fluid dynamics simulations. Applied Sciences, 14(5), article number 1824. doi: 10.3390/app14051824.

[24] Wu, R., Sun, C., & Gui, Y. (2024). Numerical analysis of atomization characteristics of fuel-jet in crossflow. AIP Advances, 14(8), article number 085115. doi: 10.1063/5.0222575.

[25] Xiao, J., Wu, Q., Chen, L., Ke, W., Wu, C., Yang, X., Yu, L., & Jiang, H. (2022). Assessment of different CFD modeling and solving approaches for a supersonic steam ejector simulation. Atmosphere, 13(1), article number 144. doi: 10.3390/atmos13010144.

[26] Xu, Z., Zhao, H., & Liu, H.-F. (2022). Atomization model based on the ligament-mediated spray mechanism for coaxial two-fluid air-blast nozzle. Chemical Engineering Journal, 450(1), article number 137986. doi: 10.1016/j.cej.2022.137986.

[27] Xu, Y., Liu, H., Wang, Z., Zhang, J., & Wang, J. (2024). Analysis of the effects of nozzle geometry on the cavitation water jet flow field using orthogonal decomposition. Iranian Journal of Science and Technology, 48, 119-132. doi: 10.1007/s40997-023-00647-9.

[28] Zhu, X., Lewballah, J.K., Fordjour, A., Jiang, X., Liu, J., Ofosu, S.A., & Dwomoh, F.A. (2021). Modelling of water drop movement and distribution in no wind and windy conditions for different nozzle sizes. Water, 13(21), article number 3006. doi: 10.3390/w13213006.