ANALI PAZU Vol. 13, No. 2, pp. 59 70, november 2023 https://doi.org/10.18690/analipazu.13.2.59-70.2023 2023 EKSPERIMENTALNA KARAKTERIZACIJA SPREJA Sprejeto 19. 6. 2023 Recenzirano 20. 9. 2023 Izdano 7. 11. 2023 PETRA CAJNKO 1 , JURIJ I 2 , M H 3 , MATEJ ZADRAVEC 4 IN TIMI GOMBOC 5 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in Matematiko, Maribor, Slovenija, petra.cajnko@um.si. 2 Maribor, Slovenija, jurij.iljaz@um.si. 3 Maribor, Slovenija, matjaz.hribersek@um.si. 4 Maribor, Slovenija, matej.zadravec@um.si. 5 Maribor, Slovenija, timi.gomboc@um.si. CORRESPONDING AUTHOR timi.gomboc@um.si Znanstveni vedi: Naravoslovje in tehnika : eksperimentalna karakterizacija spreja, velikostna porazdelitev delcev, dinamika , , sekundarni razpad delcev obravnavamo bila izvedena na sistemu Oxfor laser, medtem ko je za izvedbo jen programski paket Ansys Fluent. Primerjava rezultatov je pokazala dobro ujemanje med velikostno porazdelitvijo delcev pridobljeno pri eksperimentu ANALI PAZU Vol. 13, No. 2, pp. 59 70, November 2023 https://doi.org/10.18690/analipazu.13.2.61-70.2023 EXPERIMENTAL SPRAY CHARACTERIZATION AND NUMERICAL MODELING OF SUSPENSION SPRAYING IN A SPRAY DRYER Petra Cajnko 1 2 3 , Matej Zadravec 4 in Timi Gomboc 5 Accepted 19. 6. 2023 Revised 20. 9. 2023 Published 7. 11. 2023 1 University of Maribor, Faculty of Natural Sciences and Mathematics, Maribor, Slovenia, petra.cajnko@um.si. 2 University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, Maribor, Slovenia, jurij.iljaz@um.si. 3 University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, Maribor, Slovenia, matjaz.hribersek@um.si. 4 University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, Maribor, Slovenia, matej.zadravec@um.si. 5 University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, Maribor, Slovenia, timi.gomboc@um.si. DOPISNI AVTOR timi.gomboc@um.si Drying is one of the most important and at the same time the oldest areas of process technology. One of the most established forms of drying is spray drying, which is very often present in the food, pharmaceutical and chemical industries. In this paper, we discuss the characterization of the spray formation on the spray nozzle and the implementation of numerical simulation with included secondary breakup of the spray. The characterization of the spray on the nozzle was performed on the Oxfor laser system, while the Ansys Fluent software package was used to perform the numerical simulations. A comparison of the results showed a good agreement between the particle size distribution obtained in the experiment and in the numerical simulation. Scientific sciences: Natural sciences and technology Keywords: Experimental Spray Characterization, Particles size distribution, Computer fluid dynamic, Spray drying, Secundary break up : Eksperimentalna 61. 1 Uvod zapletene f nti in je. poteka na d (Fletcher in ostali, 2006) (2018) je in turbulentne modele, ki se uporabljajo pri teh simulacijah. Avtor Tavangar (2015) so pokazali dobre napovedi za sekundarni razpad na osnovi CFD simulacij. Sekundarni razpad delcev je bila tudi tema raziskave, ki jo je predstavil avtor Berni s sodelavci (Berni in ostali, 2022). Problematiko so obravnavali na motorjih z direktnim vbrizgom bencina, kjer ima sekundarni razpad pomembno delcev, v primeru obravnave motorjev z notranjim izgorevanjem sta Reitz- 62 ANALI PAZU. Diwakarjev in Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylorjev model, ki dajeta dobre rezultate. Avtor Schmehl s sodelavci (2000) je predstavil rezultate raziskave komori, kjer je bila uporabljena Lagrangevo - 2 merilne opreme proizvajalca Oxford Laser, za karakterizacijo velikosti delcev v spreju (Slika 1) Slika 1: Laboratorijsko postrojenje za karakterizacijo spreja. Vir: lasten : Eksperimentalna 63. 2.1 razpad curka v kapljice. V odvisnosti od pretoka suspenzije in trdnih delcev, ki jih le- odprtine od 0,1 mm do 1.2 mm. Slika 2 Vir: lasten ki se izteka na v mm. 64 ANALI PAZU. 2.2 obravnavali kot Lagrangeve. Pri formiranju spreja smo uporabili sekundarni model razpada delcev. -tega silami in sta prikazuje vrednosti Slika 3: Vrednosti Vir: lasten : Eksperimentalna 65. Graf na desni strani pa prikazuje vrednosti Weberjevega in sicer Wave modela, ki je primeren za visoko hitrostno injekciranje, kjer se domneva, da pri razpadu kapljic prevladuje Kelvin-Helmholtzova nestabilnost (We>100) (Reitz, 1986). Model najbolj ustreza v centralnem curku formirnega zraka, e Kelvin-Helmholtzove nestabilnosti in TAB modela, ki temelji na Rayleigh-Taylorjevi analogiji. kjer je B 0 konstanta, ki je v osnovi enaka 0,61 (Reitz, 1987). Hitrost spremembe 1 je v osnovi enaka 1,73, njen razpon pa je in -ove odvisnosti: 66 ANALI PAZU. pa kot Ta=Oh\ (Ramachandran in ostali, 2018) ot in 2.3 Robni pogoji enaki, kot so bili robni pogoji pri eksperimentu in so prikazani v tabeli na sliki 5 . V primeru trka delca s steno prileta v steno. Za namene prispevka smo uporabili eksperimentalne vrednosti Ramachandran in ostali, 2018). Slika 4 rezultatov. Vir: lasten : Eksperimentalna 67. Slika 5: Procesni pogoji in vrednosti merjenih parametrov pri izvajanju eksperimenta. Vir: lasten 3 Rezultati m 3 simulacije je bil uporabljen k-epsilon turbulentni model. prikazano na sliki 6. 68 ANALI PAZU. Slika 6 spreja in prehodnega konusa ter ciklona. Vir: lasten prehodni konus, saj prihaja do ostre spremembe sredi toka. Do podobnega stanja - lovilno posodo. Le redk : Eksperimentalna 69. Slika 7 Vir: lasten las oblike spreja prek kvantifikacije vzorca spreja in geometrije spreja. Porazdelitev prikazano na grafu na sliki 7. Modri histogram prikazuje velikostno porazdelitev 70 ANALI PAZU. 4 primerljivo porazdelitev delcev med eksperimentom in simulacijo. V nadaljnjem delu Literatura Berni, F., Sparacino, S., Riccardi, M., Cavicchi, A., Postrioti, L., Borghi, M. in Fontanesi, S. (2022). A zonal secondary break-up model for 3d-cfd simulations of gdi sprays. Fuel, 309:122064. Fletcher, D., Guo, B., Harvie, B., Langrish, T., Nijdam J. in Williams, J. (2006). What is important in the simulation of spray dryer performance and how do current cfd models perform? Applied mathematical modelling, 30(11):1281 1292. Liu, B., Mather, D. in Reitz, R. D. (1993). Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays. SAE Transactions, pages 83 95. Ramachandran, R. P., Akbarzadeh, M., Paliwal, J. in Cenkowski, S. (2018). Computational fluid dynamics in drying process modelling a technical review. Food and bioprocess technology, 11(2):271 292. Reitz, R. D. (1987). Modeling atomization processes in high-pressure vaporizing sprays. Atomisation Spray Technology, 3(4):309 337. Reitz, R. D.(1986). Mechanism of breakup of round liquid jets. Encyclopedia of fluid mechanics, 10. Schmehl, R., Maier, G. in Wittig, S. (2000). Cfd analysis of fuel atomization, secondary droplet breakup and spray dispersion in the premix duct of a lpp combustor. In ICLASS 2000: 8th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pasadena, CA, USA, 16-20 July 2000. Tavangar, S., Hashemabadi, S. H. in Saberimoghadam, A. (2015). Cfd simulation for secondary breakup of coal water slurry drops using openfoam. Fuel Processing Technology, 132:153 163. .