eng
Выпуск #5/2020
Р.В.Клейманов, С.Е.Александров
Аэродинамический высокопроизводительный распылитель жидких реагентов на основе сопла Лаваля
Аэродинамический высокопроизводительный распылитель жидких реагентов на основе сопла Лаваля
Просмотры: 2142
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.264.274
В статье предлагается высокопроизводительное устройство для подачи жидкого реагента в установку для химического осаждения высокочистого кварца в пламени. Подача жидкого кремнийсодержащего реагента осуществляется путем преобразования его в аэрозоль при помощи аэродинамического распылителя с плоским соплом Лаваля с внутренним телом. Разработанная конструкция позволяет достичь больших расходов жидкого реагента путем изменения сечений сопла для регулировки скорости газа-распылителя. Предложенная конструкция отличается более высокой технологичностью и простотой изменения расхода реагента в широких пределах, в отличие от распространенных коаксиальных конструкций сопел.
В статье предлагается высокопроизводительное устройство для подачи жидкого реагента в установку для химического осаждения высокочистого кварца в пламени. Подача жидкого кремнийсодержащего реагента осуществляется путем преобразования его в аэрозоль при помощи аэродинамического распылителя с плоским соплом Лаваля с внутренним телом. Разработанная конструкция позволяет достичь больших расходов жидкого реагента путем изменения сечений сопла для регулировки скорости газа-распылителя. Предложенная конструкция отличается более высокой технологичностью и простотой изменения расхода реагента в широких пределах, в отличие от распространенных коаксиальных конструкций сопел.
Теги: atomizer chemical equipment chemical vapor deposition laval nozzle распылитель сопло лаваля химическое оборудование химическое осаждение из газовой фазы
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКИХ РЕАГЕНТОВ НА ОСНОВЕ СОПЛА ЛАВАЛЯ
HIGH PERFORMANCE AERODYNAMIC NEBULIZER FOR LIQUID REAGENTS BASED ON THE LAVAL NOZZLE
Р.В.Клейманов*, аспирант, (ORCID: 0000-0003-3485-7961), С.Е.Александров*, д.х.н., проф., гл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0003-0129-0479) / kleimanovrv@mail.ru
R.V.Kleymanov, Post-graduate, S.E.Alexandrov, Doct. of Sc. (Chemical), Chief Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.264.274
Получено: 23.06.2020 г.
Авторами статьи предлагается высокопроизводительное устройство для подачи жидкого реагента в установку для химического осаждения высокочистого кварца в пламени. Подача жидкого кремнийсодержащего реагента осуществляется путем преобразования его в аэрозоль при помощи аэродинамического распылителя с плоским соплом Лаваля с внутренним телом. Разработанная конструкция позволяет достичь больших расходов жидкого реагента путем изменения сечений сопла для регулировки скорости газа-распылителя. Предложенная конструкция отличается более высокой технологичностью и простотой изменения расхода реагента в широких пределах, в отличие от распространенных коаксиальных конструкций сопел.
The authors propose a high-performance device for supplying a liquid reagent for the chemical vapor deposition of high-purity quartz. The liquid silicon-containing reagent is supplied by converting it into an aerosol using an aerodynamic nebulizer with a flat Laval nozzle incorporating an internal body. The developed design allows of achieving a high flow rate of the liquid reagent by changing the nozzle cross-sections so as to adjust the speed of the nebulizer gas. The proposed design features higher manufacturability and simple adjustment of the reagent flow rate over a wide range, as distinct from the common coaxial nozzle designs.
ВВЕДЕНИЕ
Сущность процессов химического осаждения из газовой фазы, или CVD-процессов (как их принято называть в мировой литературе и практике) состоит в получении веществ в твердом состоянии за счет химических превращений реагентов, одновременно подаваемых в реакционный объем (реактор) в газообразном или плазменном состоянии. Очевидно, что в случае реагентов, находящихся при нормальных условиях в газообразном состоянии или характеризующихся высоким давлением насыщенного пара при сравнительно низких температурах (до 100 °С), система подачи реагентов является достаточно простой.
Однако в последние годы возрос интерес к применению относительно недорогих металлоорганических соединений, обладающих низкой летучестью, а для создания приемлемых с точки зрения производительности процесса парциальных давлений требуются температуры, превышающие 300 °С, что приводит к резкому усложнению испарительных устройств и нагреву всех транспортных магистралей для предотвращения конденсации. Кроме того, существует ряд CVD-процессов, например химическое осаждение особо чистого кварцевого стекла в пламени водородной горелки, требующих значительных расходов кремнийсодержащего реагента (до 1 кг/ч), которое невозможно обеспечить, применяя обычные испарители барботажного или зеркального типа [1]. В этой связи для решения подобного рода задач широко применяется подача реагентов в реактор в виде аэрозолей, генерируемых с помощью различного типа небулайзеров, капли которых попадают в нагреваемую зону и быстро переходят в парообразное состояние [2, 3].
Ультразвуковые небулайзеры наиболее распространены в системах подачи реагентов для реализации CVD-процессов осаждения тонких пленок [4, 5], однако они характеризуются низкой производительностью и ограниченным периодом времени непрерывной работы. В случае CVD-процессов, предназначенных для получения синтезированного материала с большой скоростью и в значительных количествах, наибольший интерес представляют аэродинамические распылители [4].
В аэродинамических распылителях отрыв капель происходит при воздействии динамического (скоростного) напора газа, проходящего через элементы проточной части, а измельчение капель происходит за счет турбулентных пульсаций. Аэродинамические распылители можно условно разделить на следующие группы: струйные, ударно-струйные, центробежные, центробежно-струйные и с соударением струй [4]. Струйные форсунки представляют собой насадки с отверстиями различной формы и расположения, через которые происходит истечение струй жидкости. В ударно-струйных форсунках распыление происходит за счет удара струи о расположенный напротив сопла отражатель.
Центробежные форсунки имеют тангенциальные входные отверстия, завихритель (либо спиральный канал), подающий жидкость в виде пленки, которая вращается вокруг продольной оси. Центробежно-струйные форсунки отличаются от центробежных форсунок наличием двух вращающихся потоков, подаваемых в камеру смешения. Работа форсунок с соударением струй основана на столкновении нескольких струй, вытекающих из пересекающихся насадок. В зависимости от применяемого газа возможно как создание распылителей с малой и точно дозируемой подачей реагента, так и высокопроизводительных систем [3–5].
Одним из вариантов исполнения струйной форсунки является сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля), в котором истечение газа происходит со скоростями, превышающими скорость звука. Такие конструкции нашли широкое применение в разнообразных атомно-адсорбционных спектрометрах, причем преимущественно используются коаксиальные конструкции, образованные двумя встречными конусами с кольцевым зазором малой ширины, которые образуют проточную часть сопла [6]. К недостаткам коаксиальной конструкции можно отнести сложность в изменении геометрии проточной части при необходимости настройки сопла (требуется изготовление новых элементов, образующих до- и сверхзвуковой конфузоры) и высокие требования к точности изготовления и сборки из-за малых зазоров. Плоские конструкции аэродинамических распылителей менее распространены, однако представляют интерес в связи с их относительной простотой, кроме того их изготовление возможно без применения трудоемких технологических операций.
Целью настоящей работы стала разработка конструкции аэродинамического распылителя на основе плоского сопла Лаваля с внутренним телом, обеспечивающего высокую производительность и возможность регулировки расхода распыляемой жидкости в широких пределах. Кроме того, для подтверждения конструкторских и проверочных расчетов планировалось экспериментальное испытание прототипа распылителя для подачи с большим расходом (до 300 мл/ч) кремнийсодержащего вещества – декаметилциклопентасилоксана, являющегося перспективным реагентом для синтеза высококачественного кварцевого стекла в водород-кислородной горелке. Анализ литературных данных показывает, что обычно при использовании водород-кислородных горелок для синтеза кварцевого стекла из кремнийорганических реагентов применяются расходы газа в диапазоне 10–30 л/мин на каждую из горелок в зависимости от конструкции реактора. В этой связи при создании прототипа распылителя был задан расход газа-распылителя до 20 л/мин, при этом обеспечивался расход реагента до 300 мл/ч.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЯ
На рис.1 представлены изображения разработанной конструкции распылителя, представляющего собой основание 1 с каналом, внутреннее тело 2, образующее вместе с прямоугольным каналом проточную часть сопла, переходную втулку 3 и фиксирующую гайку 4. Наличие внутреннего тела упрощает подвод реагента и позволяет изменять количество подающих отверстий путем перекрытия части из них при необходимости, что расширяет возможности регулировки расхода распыляемого реагента в широких пределах.
Плоский канал сопла образован стенками основания и выступами вставки, которые задают геометрию сужающейся и расширяющейся частей. Конструкция допускает применение сменных проточных частей для регулирования расхода как несущего газа, так и реагента. В созданном лабораторном макете отсутствует внешний герметичный корпус, который необходим для устранения протечек жидкости через разъем в корпусе (на макете установлено уплотнение). При наличии внешнего корпуса возможно снижение точности изготовления без ущерба для работоспособности, так как вытекающая из-за негерметичности распылителя жидкость будет собираться в наружном корпусе и не будет влиять на работу устройства. Конструкция распылителя выполнена из нержавеющей стали 08Х18Н10 и допускает расположение в непосредственной близости от реактора и горелок для подачи аэрозоля в реакционную зону или испарительные камеры горелок. Для улучшения устойчивости работы и однородности подачи реагента создается устойчивая и протяженная зона разрежения в проточной части сопла для поступления реагента, размеры которой оценивались с применением численного моделирования.
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе использовалось численное моделирование методом конечных элементов в пакете COMSOL Multiphysics, включающее расчет течения вязкого сжимаемого газа с моделью турбулентности SST в низкорейнольдсовской стационарной постановке. Газ-распылитель (рабочая среда) – кислород с температурой на входе 300 К, давление на входе (избыточное) изменялось в диапазоне от 1 до 3 атм. Выбор кислорода обусловлен его большей молекулярной массой и плотностью по сравнению с водородом. Изменение свойств рабочей среды в зависимости от температуры и давления учитывалось с применением многопараметрического уравнения состояния Бенедикта – Вебба – Рубина. Данные задавались при помощи таблиц библиотеки Refprop NIST. При расчете течения жидкости через подающие отверстия свойства жидкости (местная скорость звука, вязкость, поверхностное натяжение, плотность) так же задавались из библиотеки Refprop NIST для учета тепловых эффектов. Выбранный диапазон давления газа связан с необходимостью обеспечения сверхзвукового течения в каналах сопла, а также возможности работы при переменном давлении газа на входе. Геометрия канала подстраивается таким образом, чтобы в средней плоскости сечения канала добиться переотражения скачка уплотнения за критическим сечением сопла и добиться максимального увеличения зоны разряжения. Увеличение протяженности зоны разряжения необходимо для того, чтобы подводящие отверстия для распыляемой жидкости все время оставались в области низкого давления при пульсациях потока, и истечение реагента было более равномерным.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
В ходе моделирования в качестве расчетной области была выбрана половина канала в связи с симметрией устройства. В сечении, куда выведены отверстия для распыляемой жидкости, проведена плоскость, на которой построены нижеследующие распределения параметров потока. В ходе расчетов производилось изменение угла до- и сверхзвукового конфузора для смещения скачка уплотнения за критическое сечение сопла (под критическим понимается сечение с минимальной площадью [6]).
Визуализация распределения числа Маха в проточной части сопла представлена на рис.2. Результаты расчетов указывают на наличие переотражения скачков уплотнения от стенок канала и растянутую зону разряжения, которая способствует стабильной подаче реагента, так как пульсации потока не будут приводить к выходу скачка за пределы зоны расположения подводящих отверстий. Сопло с перерасширением или переотражениями скачков уплотнения является менее эффективным с точки зрения аэродинамических потерь и конечной скорости потока на выходе [6], однако эти особенности улучшают степень распыления жидкости за счет наличия сильных местных градиентов давления в зонах скачков уплотнения, за счет чего улучшается дробление капель [1].
На распределении давления в проточной части распылителя можно отметить достаточно протяженную зону разрежения (рис.3). Ускорение потока приводит к увеличению его кинетической энергии, и по закону сохранения механической энергии потока его статическое давление (потенциальная энергия) снижается. С точки зрения аэродинамики, наличие переотражения скачков уплотнения ведет к повышению аэродинамических потерь.
Действительно, косые скачки уплотнения, отражаясь от стенок канала, смещаются вниз по потоку, растягивая зону трансзвукового перехода и увеличивая суммарное волновое сопротивление канала, однако, в отличие от прямого скачка, в этом случае происходит более плавное снижение давления и температуры потока, а также уменьшаются потери внутренней энергии на преобразование в кинетическую энергию потока в каждом отдельном скачке. Таким образом, замена одиночного прямого скачка уплотнения на серию косых скачков не приведет к существенному возрастанию суммарного волнового сопротивления канала сопла.
В аэродинамических распылителях измельчение капель происходит под действием сил инерции в потоке. Увеличение степени турбулентности и неоднородности потока с сильным его перемешиванием или скачками уплотнения увеличит воздействие сил инерции на поток капель жидкости и приведет к их измельчению. Увеличение зоны расширения за скачком приводит к тому, что отверстия для подачи реагента всегда будут в области пониженного давления, поэтому возникает необходимость в использовании устройства нагнетания жидкости в распылитель.
В ходе моделирования течения газа была определена величина разрежения в канале сопла, которая использовалась при расчете расхода реагента. При известных параметрах реагента (вязкость, плотность, поверхностное натяжение), доступных при различных режимах течения газа-носителя, перепадах давления и требуемой производительности, осуществлялся подбор диаметров отверстий, подающих распыляемую жидкость во внутреннем теле сопла Лаваля. Отверстия расположены на боковой поверхности сопла в зоне пониженного давления (рис.3), подвод реагента к отверстиям осуществляется через канал, выполненный во внутреннем теле сопла.
При установленной высоте канала 4 мм и критическом сечении сопла Лаваля 0,3 мм (параметры определялись исходя из расхода, давления и типа газа) подводящие отверстия представляют собой сверления на стенке внутреннего тела диаметром 0,25 мм в количестве 4 шт. (по 2 на каждую из симметричных сторон канала). Такая конфигурация распылителя позволяет обеспечить требуемые расходы жидкости и газа при минимальных габаритах и возможности изменения конфигурации проточной части, и, соответственно, обеспечить требуемый расход газа или жидкости без существенной переделки конструкции.
Поскольку моделирование процессов отрыва и измельчения капель при работе распылителя на различных уровнях давления и с применением различных жидкостей является довольно затратным в плане вычислительных ресурсов, оценка эффективности распыления производилась в ходе экспериментального исследования прототипа распылителя.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Поскольку конструкция проточной части допускает изменение проходного сечения и частичное перекрытие канала, натурные испытания распылителя проводились при различных вариантах его работы: при полностью открытых каналах подачи газа и при максимальном его расходе; при перекрытии одного из двух каналов подачи газа и уменьшенных расходах жидкости и газа; при уменьшении проходного сечения в обоих каналах подачи газа при максимальном расходе жидкости и уменьшении расхода газа.
В ходе экспериментального исследования замерялся расход газа на выходе из распылителя и давление газа на входе в него при помощи расходомера ГСБ-400 класса точности 1,0 и манометра образцового МО-11202 (к.т. 0,4) соответственно. Расход реагента измерялся при помощи бюретки 1-1-2-50-0,1 (к.т. 2, цена деления 0,1 мл) и секундомера. В качестве газа-распылителя использовался сжатый воздух.
На первом этапе в качестве распыляемой жидкости использовалась дистиллированная вода. Распыление модельной жидкости происходило при перекрытии одного из двух каналов сопла для проверки работоспособности созданного распылителя на малых расходах газа-распылителя. Результаты экспериментов показали, что наблюдается практически линейный характер зависимости расхода газа от его давления, что существенно упрощает регулировку расхода газа (рис.4). На рис.5 представлена зависимость расхода распыляемой воды от давления газа-распылителя, которая также близка к линейной.
Кроме того, установлено, что из-за высокого поверхностного натяжения воды на выходе из распылителя образуются капли достаточно большого размера (до 1 мм), которые не могут быть разорваны относительно низкоскоростным потоком газа, однако можно ожидать, что при смене воды на реагент с меньшим поверхностным натяжением будет достигаться более качественное распыление при подобной конфигурации распылителя.
Для проверки этого предположения, а также опробования конструкции для распыления кремнийсодержащего реагента в прежних условиях (заглушен один из газовых каналов) были проведены эксперименты по распылению декаметилциклопентасилоксана. Эта жидкость обладает значительно меньшим поверхностным натяжением, что отразилось на качестве распыления: факел распыляемой жидкости не содержал крупных капель. Однако, большая вязкость реагента отразилась на снижении расхода жидкости при параметрах расхода и давления газа, аналогичных случаю с распылением воды (рис.6). При малых давлениях воздуха расход реагента практически совпадает с расходом воды, а при увеличении перепада давления на распылителе из-за большей вязкости распыляемого реагента нарастание расхода жидкости происходит медленнее, чем для воды.
В ходе эксперимента была произведена замена воды на декаметилциклопентасилоксан при сохранении настроек подачи газа-распылителя, при этом распылитель продолжил работу, несмотря на значительное различие в свойствах жидкости (при комнатной температуре): поверхностное натяжение воды 73 • 10–3 Н/м, вязкость 0,894 мПа • с, декаметилциклопентасилоксан при тех же условиях имеет поверхностное натяжение порядка 17 • 10–3 Н/м и вязкость 1,7 Па • с). В пределах диапазона давлений и расхода газа-распылителя может быть произведена корректировка расхода газа для более качественного распыления жидкости, для чего в конструкции распылителя предусмотрено использование проставок, изменяющих критическое сечение сопла Лаваля.
При необходимости производительность распыления может быть увеличена вдвое простым открытием заглушенного канала. Однако при этом возрастет вдвое и расход газа-распылителя. В случае, если нужно обеспечить максимальный расход жидкости при ограниченном расходе газа, необходимо уменьшить проходное сечение обоих каналов (без полного перекрытия), это выполняется добавлением плоских тонколистовых прокладок между стенкой канала в основании сопла (п.1 рис.1) и вставкой с внутренним телом (п.2. рис.1).
Главной задачей проведенных экспериментов была экспериментальная проверка возможности достижения требуемого расхода декаметилциклопентасилоксана при ограниченном расходе и давлении газа-распылителя. Работа распылителя с уменьшенным критическим сечением сопла Лаваля и при максимальной подаче декаметилциклопентасилоксана представлена на рис.7, 8.
Уменьшение критического сечения сопла позволило повысить разрежение в зоне подающих отверстий и тем самым увеличить количество реагента, поступающего в распылитель за счет перепада давлений. Как можно видеть из представленных данных, в пределах заданных диапазонов давлений и расхода газа-распылителя был достигнут требуемый расход реагента.
ВЫВОДЫ
Спроектированное, изготовленное и испытанное в ходе данной работы устройство подачи реагента позволяет проводить распыление вязких высококипящих реагентов для подачи в испарители или непосредственно камеры реакторов с расходами реагента до 300 мл/ч (при масштабировании устройства возможно увеличение подачи реагента до 500 мл/ч и более для крупногабаритных горелок). Универсальность устройства, достигаемая за счет легко адаптируемой геометрии проточной части под требуемый расход газа и реагента, позволяет производить распыление высококипящих вязких жидкостей (на примере декаметилциклопентасилоксана) с обеспечением требуемых расходов газа и жидкости.
Распылитель на основе сопла Лаваля с внутренним телом обладает возможностью изменения критического сечения сопла без его переделки, а также отличается простотой ввода реагента в поток. Конструкция сопла с перерасширением обеспечивает достаточное измельчение капель в потоке за переотраженным скачком уплотнения.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1967. 848 c.
Microelectronics processing. CVD [Электронный ресурс] / Department of Electrical Engineering. – Technion: Israel Istitute of Technology. – Режим доступа: https://slideplayer.com/slide/5345746/ (13.07.2019)
Bunshah R. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings. – New York: Noyes Publications, 1993. 936 c.
Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. – М.: Химия, 1979. 216 c.
Ueha S. et al. Mechanism of ultrasonic atomization using a multi-pinhole plate. Acoust. Set of claims. Jpn. (E) 6,1:21 (1985);
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1973. 848 с.
HIGH PERFORMANCE AERODYNAMIC NEBULIZER FOR LIQUID REAGENTS BASED ON THE LAVAL NOZZLE
Р.В.Клейманов*, аспирант, (ORCID: 0000-0003-3485-7961), С.Е.Александров*, д.х.н., проф., гл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0003-0129-0479) / kleimanovrv@mail.ru
R.V.Kleymanov, Post-graduate, S.E.Alexandrov, Doct. of Sc. (Chemical), Chief Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.5.264.274
Получено: 23.06.2020 г.
Авторами статьи предлагается высокопроизводительное устройство для подачи жидкого реагента в установку для химического осаждения высокочистого кварца в пламени. Подача жидкого кремнийсодержащего реагента осуществляется путем преобразования его в аэрозоль при помощи аэродинамического распылителя с плоским соплом Лаваля с внутренним телом. Разработанная конструкция позволяет достичь больших расходов жидкого реагента путем изменения сечений сопла для регулировки скорости газа-распылителя. Предложенная конструкция отличается более высокой технологичностью и простотой изменения расхода реагента в широких пределах, в отличие от распространенных коаксиальных конструкций сопел.
The authors propose a high-performance device for supplying a liquid reagent for the chemical vapor deposition of high-purity quartz. The liquid silicon-containing reagent is supplied by converting it into an aerosol using an aerodynamic nebulizer with a flat Laval nozzle incorporating an internal body. The developed design allows of achieving a high flow rate of the liquid reagent by changing the nozzle cross-sections so as to adjust the speed of the nebulizer gas. The proposed design features higher manufacturability and simple adjustment of the reagent flow rate over a wide range, as distinct from the common coaxial nozzle designs.
ВВЕДЕНИЕ
Сущность процессов химического осаждения из газовой фазы, или CVD-процессов (как их принято называть в мировой литературе и практике) состоит в получении веществ в твердом состоянии за счет химических превращений реагентов, одновременно подаваемых в реакционный объем (реактор) в газообразном или плазменном состоянии. Очевидно, что в случае реагентов, находящихся при нормальных условиях в газообразном состоянии или характеризующихся высоким давлением насыщенного пара при сравнительно низких температурах (до 100 °С), система подачи реагентов является достаточно простой.
Однако в последние годы возрос интерес к применению относительно недорогих металлоорганических соединений, обладающих низкой летучестью, а для создания приемлемых с точки зрения производительности процесса парциальных давлений требуются температуры, превышающие 300 °С, что приводит к резкому усложнению испарительных устройств и нагреву всех транспортных магистралей для предотвращения конденсации. Кроме того, существует ряд CVD-процессов, например химическое осаждение особо чистого кварцевого стекла в пламени водородной горелки, требующих значительных расходов кремнийсодержащего реагента (до 1 кг/ч), которое невозможно обеспечить, применяя обычные испарители барботажного или зеркального типа [1]. В этой связи для решения подобного рода задач широко применяется подача реагентов в реактор в виде аэрозолей, генерируемых с помощью различного типа небулайзеров, капли которых попадают в нагреваемую зону и быстро переходят в парообразное состояние [2, 3].
Ультразвуковые небулайзеры наиболее распространены в системах подачи реагентов для реализации CVD-процессов осаждения тонких пленок [4, 5], однако они характеризуются низкой производительностью и ограниченным периодом времени непрерывной работы. В случае CVD-процессов, предназначенных для получения синтезированного материала с большой скоростью и в значительных количествах, наибольший интерес представляют аэродинамические распылители [4].
В аэродинамических распылителях отрыв капель происходит при воздействии динамического (скоростного) напора газа, проходящего через элементы проточной части, а измельчение капель происходит за счет турбулентных пульсаций. Аэродинамические распылители можно условно разделить на следующие группы: струйные, ударно-струйные, центробежные, центробежно-струйные и с соударением струй [4]. Струйные форсунки представляют собой насадки с отверстиями различной формы и расположения, через которые происходит истечение струй жидкости. В ударно-струйных форсунках распыление происходит за счет удара струи о расположенный напротив сопла отражатель.
Центробежные форсунки имеют тангенциальные входные отверстия, завихритель (либо спиральный канал), подающий жидкость в виде пленки, которая вращается вокруг продольной оси. Центробежно-струйные форсунки отличаются от центробежных форсунок наличием двух вращающихся потоков, подаваемых в камеру смешения. Работа форсунок с соударением струй основана на столкновении нескольких струй, вытекающих из пересекающихся насадок. В зависимости от применяемого газа возможно как создание распылителей с малой и точно дозируемой подачей реагента, так и высокопроизводительных систем [3–5].
Одним из вариантов исполнения струйной форсунки является сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля), в котором истечение газа происходит со скоростями, превышающими скорость звука. Такие конструкции нашли широкое применение в разнообразных атомно-адсорбционных спектрометрах, причем преимущественно используются коаксиальные конструкции, образованные двумя встречными конусами с кольцевым зазором малой ширины, которые образуют проточную часть сопла [6]. К недостаткам коаксиальной конструкции можно отнести сложность в изменении геометрии проточной части при необходимости настройки сопла (требуется изготовление новых элементов, образующих до- и сверхзвуковой конфузоры) и высокие требования к точности изготовления и сборки из-за малых зазоров. Плоские конструкции аэродинамических распылителей менее распространены, однако представляют интерес в связи с их относительной простотой, кроме того их изготовление возможно без применения трудоемких технологических операций.
Целью настоящей работы стала разработка конструкции аэродинамического распылителя на основе плоского сопла Лаваля с внутренним телом, обеспечивающего высокую производительность и возможность регулировки расхода распыляемой жидкости в широких пределах. Кроме того, для подтверждения конструкторских и проверочных расчетов планировалось экспериментальное испытание прототипа распылителя для подачи с большим расходом (до 300 мл/ч) кремнийсодержащего вещества – декаметилциклопентасилоксана, являющегося перспективным реагентом для синтеза высококачественного кварцевого стекла в водород-кислородной горелке. Анализ литературных данных показывает, что обычно при использовании водород-кислородных горелок для синтеза кварцевого стекла из кремнийорганических реагентов применяются расходы газа в диапазоне 10–30 л/мин на каждую из горелок в зависимости от конструкции реактора. В этой связи при создании прототипа распылителя был задан расход газа-распылителя до 20 л/мин, при этом обеспечивался расход реагента до 300 мл/ч.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАСПЫЛИТЕЛЯ
На рис.1 представлены изображения разработанной конструкции распылителя, представляющего собой основание 1 с каналом, внутреннее тело 2, образующее вместе с прямоугольным каналом проточную часть сопла, переходную втулку 3 и фиксирующую гайку 4. Наличие внутреннего тела упрощает подвод реагента и позволяет изменять количество подающих отверстий путем перекрытия части из них при необходимости, что расширяет возможности регулировки расхода распыляемого реагента в широких пределах.
Плоский канал сопла образован стенками основания и выступами вставки, которые задают геометрию сужающейся и расширяющейся частей. Конструкция допускает применение сменных проточных частей для регулирования расхода как несущего газа, так и реагента. В созданном лабораторном макете отсутствует внешний герметичный корпус, который необходим для устранения протечек жидкости через разъем в корпусе (на макете установлено уплотнение). При наличии внешнего корпуса возможно снижение точности изготовления без ущерба для работоспособности, так как вытекающая из-за негерметичности распылителя жидкость будет собираться в наружном корпусе и не будет влиять на работу устройства. Конструкция распылителя выполнена из нержавеющей стали 08Х18Н10 и допускает расположение в непосредственной близости от реактора и горелок для подачи аэрозоля в реакционную зону или испарительные камеры горелок. Для улучшения устойчивости работы и однородности подачи реагента создается устойчивая и протяженная зона разрежения в проточной части сопла для поступления реагента, размеры которой оценивались с применением численного моделирования.
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе использовалось численное моделирование методом конечных элементов в пакете COMSOL Multiphysics, включающее расчет течения вязкого сжимаемого газа с моделью турбулентности SST в низкорейнольдсовской стационарной постановке. Газ-распылитель (рабочая среда) – кислород с температурой на входе 300 К, давление на входе (избыточное) изменялось в диапазоне от 1 до 3 атм. Выбор кислорода обусловлен его большей молекулярной массой и плотностью по сравнению с водородом. Изменение свойств рабочей среды в зависимости от температуры и давления учитывалось с применением многопараметрического уравнения состояния Бенедикта – Вебба – Рубина. Данные задавались при помощи таблиц библиотеки Refprop NIST. При расчете течения жидкости через подающие отверстия свойства жидкости (местная скорость звука, вязкость, поверхностное натяжение, плотность) так же задавались из библиотеки Refprop NIST для учета тепловых эффектов. Выбранный диапазон давления газа связан с необходимостью обеспечения сверхзвукового течения в каналах сопла, а также возможности работы при переменном давлении газа на входе. Геометрия канала подстраивается таким образом, чтобы в средней плоскости сечения канала добиться переотражения скачка уплотнения за критическим сечением сопла и добиться максимального увеличения зоны разряжения. Увеличение протяженности зоны разряжения необходимо для того, чтобы подводящие отверстия для распыляемой жидкости все время оставались в области низкого давления при пульсациях потока, и истечение реагента было более равномерным.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
В ходе моделирования в качестве расчетной области была выбрана половина канала в связи с симметрией устройства. В сечении, куда выведены отверстия для распыляемой жидкости, проведена плоскость, на которой построены нижеследующие распределения параметров потока. В ходе расчетов производилось изменение угла до- и сверхзвукового конфузора для смещения скачка уплотнения за критическое сечение сопла (под критическим понимается сечение с минимальной площадью [6]).
Визуализация распределения числа Маха в проточной части сопла представлена на рис.2. Результаты расчетов указывают на наличие переотражения скачков уплотнения от стенок канала и растянутую зону разряжения, которая способствует стабильной подаче реагента, так как пульсации потока не будут приводить к выходу скачка за пределы зоны расположения подводящих отверстий. Сопло с перерасширением или переотражениями скачков уплотнения является менее эффективным с точки зрения аэродинамических потерь и конечной скорости потока на выходе [6], однако эти особенности улучшают степень распыления жидкости за счет наличия сильных местных градиентов давления в зонах скачков уплотнения, за счет чего улучшается дробление капель [1].
На распределении давления в проточной части распылителя можно отметить достаточно протяженную зону разрежения (рис.3). Ускорение потока приводит к увеличению его кинетической энергии, и по закону сохранения механической энергии потока его статическое давление (потенциальная энергия) снижается. С точки зрения аэродинамики, наличие переотражения скачков уплотнения ведет к повышению аэродинамических потерь.
Действительно, косые скачки уплотнения, отражаясь от стенок канала, смещаются вниз по потоку, растягивая зону трансзвукового перехода и увеличивая суммарное волновое сопротивление канала, однако, в отличие от прямого скачка, в этом случае происходит более плавное снижение давления и температуры потока, а также уменьшаются потери внутренней энергии на преобразование в кинетическую энергию потока в каждом отдельном скачке. Таким образом, замена одиночного прямого скачка уплотнения на серию косых скачков не приведет к существенному возрастанию суммарного волнового сопротивления канала сопла.
В аэродинамических распылителях измельчение капель происходит под действием сил инерции в потоке. Увеличение степени турбулентности и неоднородности потока с сильным его перемешиванием или скачками уплотнения увеличит воздействие сил инерции на поток капель жидкости и приведет к их измельчению. Увеличение зоны расширения за скачком приводит к тому, что отверстия для подачи реагента всегда будут в области пониженного давления, поэтому возникает необходимость в использовании устройства нагнетания жидкости в распылитель.
В ходе моделирования течения газа была определена величина разрежения в канале сопла, которая использовалась при расчете расхода реагента. При известных параметрах реагента (вязкость, плотность, поверхностное натяжение), доступных при различных режимах течения газа-носителя, перепадах давления и требуемой производительности, осуществлялся подбор диаметров отверстий, подающих распыляемую жидкость во внутреннем теле сопла Лаваля. Отверстия расположены на боковой поверхности сопла в зоне пониженного давления (рис.3), подвод реагента к отверстиям осуществляется через канал, выполненный во внутреннем теле сопла.
При установленной высоте канала 4 мм и критическом сечении сопла Лаваля 0,3 мм (параметры определялись исходя из расхода, давления и типа газа) подводящие отверстия представляют собой сверления на стенке внутреннего тела диаметром 0,25 мм в количестве 4 шт. (по 2 на каждую из симметричных сторон канала). Такая конфигурация распылителя позволяет обеспечить требуемые расходы жидкости и газа при минимальных габаритах и возможности изменения конфигурации проточной части, и, соответственно, обеспечить требуемый расход газа или жидкости без существенной переделки конструкции.
Поскольку моделирование процессов отрыва и измельчения капель при работе распылителя на различных уровнях давления и с применением различных жидкостей является довольно затратным в плане вычислительных ресурсов, оценка эффективности распыления производилась в ходе экспериментального исследования прототипа распылителя.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Поскольку конструкция проточной части допускает изменение проходного сечения и частичное перекрытие канала, натурные испытания распылителя проводились при различных вариантах его работы: при полностью открытых каналах подачи газа и при максимальном его расходе; при перекрытии одного из двух каналов подачи газа и уменьшенных расходах жидкости и газа; при уменьшении проходного сечения в обоих каналах подачи газа при максимальном расходе жидкости и уменьшении расхода газа.
В ходе экспериментального исследования замерялся расход газа на выходе из распылителя и давление газа на входе в него при помощи расходомера ГСБ-400 класса точности 1,0 и манометра образцового МО-11202 (к.т. 0,4) соответственно. Расход реагента измерялся при помощи бюретки 1-1-2-50-0,1 (к.т. 2, цена деления 0,1 мл) и секундомера. В качестве газа-распылителя использовался сжатый воздух.
На первом этапе в качестве распыляемой жидкости использовалась дистиллированная вода. Распыление модельной жидкости происходило при перекрытии одного из двух каналов сопла для проверки работоспособности созданного распылителя на малых расходах газа-распылителя. Результаты экспериментов показали, что наблюдается практически линейный характер зависимости расхода газа от его давления, что существенно упрощает регулировку расхода газа (рис.4). На рис.5 представлена зависимость расхода распыляемой воды от давления газа-распылителя, которая также близка к линейной.
Кроме того, установлено, что из-за высокого поверхностного натяжения воды на выходе из распылителя образуются капли достаточно большого размера (до 1 мм), которые не могут быть разорваны относительно низкоскоростным потоком газа, однако можно ожидать, что при смене воды на реагент с меньшим поверхностным натяжением будет достигаться более качественное распыление при подобной конфигурации распылителя.
Для проверки этого предположения, а также опробования конструкции для распыления кремнийсодержащего реагента в прежних условиях (заглушен один из газовых каналов) были проведены эксперименты по распылению декаметилциклопентасилоксана. Эта жидкость обладает значительно меньшим поверхностным натяжением, что отразилось на качестве распыления: факел распыляемой жидкости не содержал крупных капель. Однако, большая вязкость реагента отразилась на снижении расхода жидкости при параметрах расхода и давления газа, аналогичных случаю с распылением воды (рис.6). При малых давлениях воздуха расход реагента практически совпадает с расходом воды, а при увеличении перепада давления на распылителе из-за большей вязкости распыляемого реагента нарастание расхода жидкости происходит медленнее, чем для воды.
В ходе эксперимента была произведена замена воды на декаметилциклопентасилоксан при сохранении настроек подачи газа-распылителя, при этом распылитель продолжил работу, несмотря на значительное различие в свойствах жидкости (при комнатной температуре): поверхностное натяжение воды 73 • 10–3 Н/м, вязкость 0,894 мПа • с, декаметилциклопентасилоксан при тех же условиях имеет поверхностное натяжение порядка 17 • 10–3 Н/м и вязкость 1,7 Па • с). В пределах диапазона давлений и расхода газа-распылителя может быть произведена корректировка расхода газа для более качественного распыления жидкости, для чего в конструкции распылителя предусмотрено использование проставок, изменяющих критическое сечение сопла Лаваля.
При необходимости производительность распыления может быть увеличена вдвое простым открытием заглушенного канала. Однако при этом возрастет вдвое и расход газа-распылителя. В случае, если нужно обеспечить максимальный расход жидкости при ограниченном расходе газа, необходимо уменьшить проходное сечение обоих каналов (без полного перекрытия), это выполняется добавлением плоских тонколистовых прокладок между стенкой канала в основании сопла (п.1 рис.1) и вставкой с внутренним телом (п.2. рис.1).
Главной задачей проведенных экспериментов была экспериментальная проверка возможности достижения требуемого расхода декаметилциклопентасилоксана при ограниченном расходе и давлении газа-распылителя. Работа распылителя с уменьшенным критическим сечением сопла Лаваля и при максимальной подаче декаметилциклопентасилоксана представлена на рис.7, 8.
Уменьшение критического сечения сопла позволило повысить разрежение в зоне подающих отверстий и тем самым увеличить количество реагента, поступающего в распылитель за счет перепада давлений. Как можно видеть из представленных данных, в пределах заданных диапазонов давлений и расхода газа-распылителя был достигнут требуемый расход реагента.
ВЫВОДЫ
Спроектированное, изготовленное и испытанное в ходе данной работы устройство подачи реагента позволяет проводить распыление вязких высококипящих реагентов для подачи в испарители или непосредственно камеры реакторов с расходами реагента до 300 мл/ч (при масштабировании устройства возможно увеличение подачи реагента до 500 мл/ч и более для крупногабаритных горелок). Универсальность устройства, достигаемая за счет легко адаптируемой геометрии проточной части под требуемый расход газа и реагента, позволяет производить распыление высококипящих вязких жидкостей (на примере декаметилциклопентасилоксана) с обеспечением требуемых расходов газа и жидкости.
Распылитель на основе сопла Лаваля с внутренним телом обладает возможностью изменения критического сечения сопла без его переделки, а также отличается простотой ввода реагента в поток. Конструкция сопла с перерасширением обеспечивает достаточное измельчение капель в потоке за переотраженным скачком уплотнения.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1967. 848 c.
Microelectronics processing. CVD [Электронный ресурс] / Department of Electrical Engineering. – Technion: Israel Istitute of Technology. – Режим доступа: https://slideplayer.com/slide/5345746/ (13.07.2019)
Bunshah R. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings. – New York: Noyes Publications, 1993. 936 c.
Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. – М.: Химия, 1979. 216 c.
Ueha S. et al. Mechanism of ultrasonic atomization using a multi-pinhole plate. Acoust. Set of claims. Jpn. (E) 6,1:21 (1985);
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа / 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1973. 848 с.
Отзывы читателей
