Введение
Трубы Вентури первоначально были предложены в качестве устройств для измерения расхода сред, однако позднее они стали широко применяться и в качестве аппаратов для мокрой очистки газа от пыли, абсорбции и теплообмена. Широкому применению их в промышленности способствовали высокая эффективность и интенсивность работы, надежность и сравнительная простота конструкции. Необходимо отметить, что трубы Вентури (ТВ) весьма перспективны при решении экологических задач, связанных с необходимостью очистки отходящих газов. Скруббер Вентури является наиболее эффективным из применяемых в промышленности мокрых пылеуловителей [4]. Имеется опыт весьма эффективного использования труб Вентури для очистки газов в энергетике и промышленности [2,6], в частности от тумана серной кислоты[1,6].
Классический аппарат на базе ТВ включает конфузор, горловину, диффузор и каплеуловитель одного из типов. Возможны различные способы подвода орошающей жидкости к ТВ, при этом удельный её расход может составлять от 0,15 до 3,5 л/ м 3 газа и более. Скорость газа в горловине wг может меняться от 30 до 150 м/с. Благодаря высокой скорости газа и большой турбулентности потока жидкость дробится на мелкие капли, образуя развитую поверхность контакта фаз. Отсюда высокая эффективность ТВ. Платой за это является повышенное гидравлическое сопротивление ТВ.
Оптимальными с точки зрения аэродинамики являются ТВ с углом сужения конфузора 25 – 28о и с углом расширения диффузора 6 – 7о при длине горловины 0,15 dг [3]. По форме сечения горловины ТВ могут быть круглые, щелевые и кольцевые. Круглые применяются при малых расходах газа т.к. рост диаметра горловины ведет к падению эффективности работы и к значительному росту длины ТВ. Поэтому при значительных расходах газа круглые ТВ применяют в виде групповых и батарейных компоновок. Для них весьма актуальной становится проблема равномерности работы всех ТВ по газу и по жидкости. Подача жидкости к ТВ возможна путем её ввода через отверстия в горловине, путем центрального ввода в конфузор (форсуночное орошение) либо путем перелива через верхний край конфузора ТВ (пленочное орошение).
Решение проблемы равномерности работы можно обеспечить идентичностью размеров всех ТВ, одинаковым их орошением и одинаковым гидравлическим сопротивлением ∆р всех ТВ. Указанное, в известной степени, решается применением аппаратов с модульными контактными элементами Вентури (МКЭВ). Одна из разновидностей МКЭВ разработана и испытана в ДПИ НГТУ. МКЭВ размещают на горизонтальной тарелке в корпусе вертикального аппарата. Конфузоры крепят на тарелке сверху, а диффузоры вворачивают в них на резьбе снизу. Производительность одного МКЭВ при диаметре горловины dг = 22 мм составляет 50 – 130 м3/ч. Требуемая производительность аппарата по газу обеспечивается установкой нужного количества МКЭВ идентичных по своим характеристикам.
Рисунок 1.- Стенд для изучения МКЭВ
Приведем пример. Комбинированный аппарат, содержащий 60 шт. МКЭВ, которые размещены с шагом 132 мм по периметрам шестиугольников, имеет производительность 3000 – 7800 м3/ч. Диаметр корпуса аппарата составляет 1400 мм, при высоте 2000 мм. МКЭВ имеет стальной конфузор с горловиной и пластмассовый диффузор, изготавливаемый методом литья под давления. Именно конфузор и горловина являются наиболее ответственными элементами МКЭВ, отвечающими за равномерность его работы.
Возможны несколько вариантов выполнения конфузоров и их орошения. Необходимо выбрать лучший. Нет ясности в вопросе о влиянии способа орошения на гидравлическое сопротивление ТВ. Так, согласно [3] ∆р определяется по одной формуле и при центральном и при пленочном орошении.
То есть, способ орошения не влияет на ∆р. В случае МКЭВ по опытам это не соответствует действительности, что представляется серьезным пробелом, т.к. в настоящее время расчет эффективности скрубберов Вентури наиболее часто выполняют именно на основе энергетического метода расчета [5], для использования которого необходимо знать ∆р.
Цель исследования - выбор способа орошения, отработка конструкции МКЭВ, изучение его работы, определение гидравлического сопротивления МКЭВ 
и нахождение зависимостей для расчета при различных нагрузках по газу и жидкости.
Методы исследования и аппаратура. Опыты по изучению МКЭВ проводили на экспериментальном стенде, который показан на рисунке 1. Стенд содержит аппарат из царг внутренним диаметром 200 мм, бак для жидкости, центробежный насос и вентилятор. Между царг аппарата из оргстекла зажата тарелка, на которой установлен исследуемый МКЭВ.
Опытный МКЭВ состоит из двух частей: стального конфузора с углом сужения 28о и диффузора с углом расширения 8о. Диаметр горловин dг= 22 мм. Диаметр МКЭВ снаружи 92 мм, внутри – 82 мм, высота 490 мм. Конфузор закреплен на стальной тарелке, а диффузор ввинчен в конфузор на резьбе М40. Распределительная обечайка с отверстиями служит для обеспечения равномерного подвода жидкости к конфузору МКЭВ. Расход газа определяли по перепаду давления на сдвоенной диафрагме, а расход жидкости – ротаметром. Аппарат работал под разряжением – вентилятор подключен к нижней части аппарата после каплеуловителя, а диафрагма установлена на прямом участке на входе в аппарат. В качестве каплеуловителя использована насадка из керамических колец Рашига 25×25.
Первая серия экспериментов была выполнена без орошения. Далее эксперименты выполняли в виде серий, где расход воды был постоянным, а расход газа меняли.
В ходе экспериментов скорость газа в горловине МКЭВ wг меняли от 30 до 96 м/с, расход воды L меняли от 0,08 до 0,33 м3/ч. Подачу воды к МКЭВ производили по варианту форсуночного или пленочного орошения. Первое вели центробежными форсунками с диаметром сопла dо= 2 и 4 мм. При пленочном орошении изучали конфузоры трех видов: А – с гладкой верхней кромкой, Б – с шестью радиальными щелями по верхней кромке (орошение радиальное) и В – с 12 тангенциальными щелями (орошение тангенциальное). Для Б и В высота щелей - 15 мм, а ширина составляла 10 и 4 мм соответственно. Вели наблюдение за характером работы и дифманометрами замеряли сопротивление аппарата и МКЭВ ∆р.
Результаты исследования. В ходе изучения гидравлического сопротивления сухого МКЭВ было установлено, что оно пропорционально 
. При максимальной скорости в горловине wг= 108м/с сопротивление МКЭВ 
составило 940Па.
Наблюдение за работой аппарата с орошением показало следующее. Работа МКЭВ с подачей воды в конфузор форсунками устойчивая, включая и конфузор А. Было несколько случаев забивки форсунок. Отметим, что установка форсунки над каждым МКЭВ проблематична. Кроме того, подвод жидкости форсунками требует дополнительных затрат энергии. При пленочном орошении с конфузором А наблюдалась значительная неустойчивость работы из-за скачков . По-видимому, здесь сказывается малый диаметр dг МКЭВ, при котором накатившаяся сверху порция жидкости практически целиком перекрывает сечение горловины, вызывая резкий рост . Кроме того конфузоры вида А в многотрубном аппарате не обеспечат равномерную подачу жидкости ко всем МКЭВ. Поэтому конфузоры А для использования с пленочным орошением нежелательны. При работе МКЭВ с пленочным орошением конфузоров Б и В наблюдалась близкая картина. Аппарат работал устойчиво при этом конфузор В обеспечивал сплошную пленку жидкости и наилучшие условия орошения МКЭВ. Это имело место и при максимальном расходе орошения L= 0,330 м3 /ч. Здесь сопротивление МКЭВ при wг= 36,8 и 78,9 м/с составляло соответственно 1010 и 4513 Па. Каплеуловитель работал надежно при всех нагрузках по газу и жидкости. Гидравлическое сопротивление его было невелико.
Зависимости сопротивления МКЭВ от скорости газа в горловине при подаче воды L = 0,142 и 0,185 м3/ч при различных вариантах орошения показаны на рисунках 2 и 3 соответственно.
Рисунок 2.- Зависимость гидравлического сопротивления МКЭВ от скорости газа в горловине wг при расходе воды L= 0,142 м3 /ч
Рисунок 3.- Зависимость гидравлического сопротивления МКЭВ от скорости газа в горловине wг при расходе воды L= 0,185 м3/ч
Из рисунков 2 и 3 видно, что при увеличении скорости газа wг с пленочным орошением растет быстрее чем при форсуночном. При скоростях газа менее 70 м/с форсуночное орошение характеризуется заметно большим сопротивлением . При скоростях газа выше 70 – 80 м/с различие по сглаживается. Величина сопротивления при пленочном орошении практически одинакова для радиальных и тангенциальных щелей в конфузоре. Величина сопротивления МКЭВ при форсуночном орошении зависит от диаметра сопла. При большем диаметре сопла сопротивление ощутимо выше.
Зависимость сопротивления МКЭВ от скорости газа при подаче воды L = 0,0784 и 0,142 м3/ч для радиального и тангенциального плёночного орошения показана на рисунке 4. Видно, что при увеличении количества орошения растет и сопротивление МКЭВ .Скорость газа влияет на сопротивление МКЭВ, в большей степени чем в случае сухого элемента. Здесь пропорционально wг в степени 2,8–2,9.Однако, по мере роста количества орошения влияние скорости газа на понижается. Так при подаче воды L = 0,264 и 0,330 м3/ч степень влияния уже 2,12 и 1,75 соответственно.
Рисунок 4.- Зависимость сопротивления МКЭВ от скорости газа в горловине wг для плёночного орошения при расходе воды L = 0,0784 и 0,142 м3/ч.
Представляется, что наиболее перспективной конструкцией МКЭВ является вариант с пленочным орошением и с конфузором, имеющим тангенциальные щели. Для нахождения гидравлического сопротивления таких МКЭВ может быть использована известная для ТВ формула [5]:
, (1)
где 
- гидравлическое сопротивление сухого МКЭВ, Па;
- гидравлическое сопротивление МКЭВ, обусловленное вводом жидкости, Па.
Здесь гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле:
, (2)
где 
- коэффициент гидравлического сопротивления сухого элемента;
- скорость газа в горловине, м/с;
- плотность газа, кг/м3.
Формула (2) хорошо описывает, полученные нами экспериментальные данные при 
, что согласуется с данными [5] , согласно которым 
.
Гидравлическое сопротивление 
можно рассчитать по формуле:
(3)
где 
- коэффициент гидравлического сопротивления, учитывающий ввод в МКЭВ орошающей жидкости;
m – удельный расход орошающей жидкости, м3/м3;
- плотность орошающей жидкости, кг/м3.
Для нахождения по методу наименьших квадратов была получена формула:
(4)
где 
- массовая скорость жидкости в горловине, кг/м2∙с;
- массовая скорость газа в горловине, кг/м2∙с.
При нахождении зависимости для были использованы данные по сопротивлению при пленочном тангенциальном орошении конфузора МКЭВ при пяти расходах воды L от 0,0784 до 0,192 м3/ч.
Расчет по формуле (4) позволяет получить хорошее совпадение с данными эксперимента (в пределах 12%) при скорости в горловине от 30 до 95 м/с при удельном орошении 
от 
.
Заключение. Установлено, что способ орошения влияет на гидравлическое сопротивление МКЭВ: при форсуночном оно выше чем при пленочном. Более перспективным, по нашему мнению, является пленочное орошение, т.к. оно проще по реализации, требует меньших затрат энергии и позволяет работать с загрязненными средами. Обязательным для конфузора при пленочном орошении является наличие щелей. При пленочном орошении конфузоров без щелей работа МКЭВ крайне неустойчива. Наилучшую подачу жидкости в МКЭВ обеспечивают конфузоры с тангенциальными щелями. Для таких МКЭВ получены зависимости, позволяющие рассчитать их гидравлическое сопротивление. Изученная конструкция МКЭВ проста и технологична в изготовлении, удобна при реализации модульного принципа построения аппарата.
Рецензенты:
Ксандров Н.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой ТНВ ФГБОУ ВПО НГТУ, г.Дзержинск.
Ким П.П., д.т.н., профессор кафедры ПАХПТ ФГБОУ ВПО НГТУ, г.Дзержинск.