МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B05B3/02 B05B3/12 

Изобретение относится к механическим устройствам для распыливания жидкости и предназначено для осуществления различных технологических процессов: абсорбции, грануляции, сушки и т.д. а именно к устройствам, генерирующим практически одинаковые по размерам (монодисперсные) капли жидкости.

Известен механический распылитель, содержащий вращающийся на приводном валу проницаемый корпус, включающий основной и дополнительный перфорированные цилиндры с размещенным в пространстве между ними пористым материалом, и средство обеспечения равномерного подвода жидкости к рабочей поверхности [1]
Каплеобразующими элементами такого распылителя являются обрамленные питающими отверстиями выступы конической (или круглой) формы на наружной поверхности дополнительного цилиндра.

Однако в известном распылителе монодисперсный распыл достигается лишь при больших скоростях вращения, следствием чего является большой удельный расход энергии на распыливание.

Кроме того, отношения диаметров каплеобразующего элемента и питающего отверстия являются наиболее существенными конструктивными параметрами такого распылителя, обеспечивающими при больших скоростях вращения оптимальные условия проведения процесса образования тонкой пленки на поверхности выступов, формирования капель и их отрыва с вершин выступов.

Однако незначительные изменения в условиях подтекания жидкости, вызванные либо загрязнением питающих отверстий, прохождением через отверстия твердых частиц, либо колебаниями расхода подаваемой в распылитель жидкости или скорости вращения, приводят к тому, что на различные участки выступов натекает различное количество жидкости, а в некоторых случаях отдельные участки каплеобразующих элементов вообще не орошаются жидкостью. Такое неорганизованное формирование капель, а также радиальная направленность осей каплеобразующих элементов, не соответствующая действию равнодействующей сил сопротивления и центробежной, приводит к образованию полидисперсного распыла.

Зависимость качества диспергирования от колебания расхода и скорости вращения сужает диапазон применения известного распылителя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является механический распылитель, содержащий приводной вал, установленный на нем проницаемый цилиндрический корпус в виде пакета дисков с установленными в зазорах между ними каплеобразующими элементами и патрубок подвода жидкости [2]
Достижение режима монодисперсного распыления в нем происходит за счет увеличения удельного расхода энергии на распыление (повышение скорости вращения распылителя), что обусловлено характером течения жидкости в узких зазорах между дисками и условиями каплеобразования на каплеобразующих элементах, едва выступающих под кромками дисков.

При малых скоростях вращения на наружной поверхности распылителя образуется пленка жидкости, сливающаяся над едва выступающими с кромок дисков вершинами игл, неравномерная как по своей толщине, так и по высоте распылителя. Это приводит к неупорядоченному формированию крупных капель из развивающихся на пленке местных возмущений и струеобразованию, что ведет к их нерегулярному распаду в газовой фазе и образованию разноразмерных капель. Несоответствие угла наклона жестко установленных каплеобразующих элементов углам вылета капель и струй при малых скоростях вращения и колебаниях плотности газовой среды приводит к дополнительному снижению качества диспергирования.

Полидисперсность распыла при малых скоростях вращения не позволяет применять известный распылитель для получения крупных одноразмерных капель, а также использовать более производительный и менее энергоемкий струйный режим распыления (оптимальные нагрузки на распыливающие элементы при струйном каплеобразовании более чем в 10 раз превышают производительность капельного режима). Это сужает диапазон применения известного распылителя.

Цель изобретения уменьшение удельного расхода энергии на распыливание, а также расширение диапазона применения распылителя за счет создания возможности получения монодисперсного распыла во всем интервале изменения скорости вращения.

Для этого в механическом распылителе, содержащем приводной вал, установленный на нем проницаемый цилиндрический корпус в виде пакета дисков с установленными в зазорах между ними каплеобразующими элементами и патрубок подвода жидкости, согласно изобретению каплеобразующие элементы выполнены в виде гибких упругих смачиваемых нитей.

На фиг.1 изображен предлагаемый распылитель, поперечный разрез; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 схема каплеобразования в режиме распыления основных капель; на фиг.4 то же, в режиме распыления струйных или вторичных капель; на фиг.5 то же, в режиме тонкодисперсного распыления.

Механический распылитель содержит приводной вал 1, установленный на нем проницаемый цилиндрический корпус 2 в виде пакета дисков 3 с установленными в зазорах между ними каплеобразующими элементами в виде гибких упругих и смачиваемых нитей 4, причем каждая нить 4 имеет U-образную форму и размещена радиально в двух близлежащих зазорах между дисками 3.

Кроме того, распылитель содержит патрубок 5 подвода жидкости и верхнюю и нижнюю крышки 6 и 7.

Распылитель работает следующим образом.

Жидкость под давлением через патрубок 5 поступает в центральную полость распылителя, образованную верхней 6, нижней 7 крышками и пакетом дисков 3. Под действием центробежной силы при вращении распылителя жидкость выталкивается через узкие зазоры между дисками 3 и основаниями нитей 4 на боковую поверхность распылителя.

При малых скоростях вращения (до 2 м/с) между дисками 3 на боковой поверхности распылителя образуются жидкие кольца, на поверхности которых в местах контакта с нитями 4 развиваются местные возмущения. Возмущенные участки на кольцах превращаются в отростки, которые растут, вытягиваются по поверхностям нитей 4 и формируют сферические головки с тонкими соединительными перемычками. Головки отделяются от перемычек, образуя первичные капли, а перемычки распадаются на поверхностях нитей с образованием более мелких капель спутников, удерживаемых силами поверхностного натяжения и адгезии на поверхностях нитей 4. Оставшиеся части отростков втягиваются в жидкие кольца и отростки снова начинают формироваться на нитях 4. Процесс повторяется.

В результате непосредственно у кромки дисков 3 образуются крупные одноразмерные капли, которые под действием центробежной силы, сил сопротивления среды и тяжести движутся по поверхности нитей, форма которых в силу их гибкости и упругости при вращении соответствует траектории движения капель от кромки дисков 3 под действием равнодействующей этих сил (дуги спиралей или эвольвенты круга), и упорядоченно сбрасываются с их концов.

Следующие крупные капли при движении по нитям 4 захватывают капли спутники, оставшиеся на ней в результате распада перемычек от предыдущих капель.

В результате при работе распылителя при малых скоростях вращения в режиме основных капель образуется объемный, равномерный по высоте и практически монодисперсный факел распыла, содержащий довольно крупные капли, что позволяет использовать этот режим, например, в целях испарительного охлаждения.

С увеличением скорости вращения (до 8 м/с) и при увеличении расхода в силу свойств щелевой структуры проницаемого корпуса 2 первый режим распыления сменяется вторым, при котором возникающие на жидких кольцах отростки уже не успевают превратиться в капли, отделяющиеся у кромки дисков 3, а вытягиваются по поверхностям нитей в относительно длинные жидкие струи. На некотором расстоянии от кромок дисков 3 эти струи распадаются на капли под действием внешних возмущений, причем длина нераспавшейся части струи Sp постоянна и определяется соотношением расхода жидкости, ее физических свойств и характеристик распылителя. Благодаря выполнению нитей длиной Lн>Sp образуется система как бы нанизанных на их верхней части однородных капель и мелких капель спутников. Крупные капли, сливаясь при своем движении по нитям с более мелкими, сбрасываются упорядоченно с концов нитей в газовую фазу.

В результате при работе распылителя в режиме вторичных капель, характеризуемом относительно малым удельным расходом энергии на распыливание (небольшая скорость вращения) и большой производительностью (практически струйный режим), образуется объемный, равномерный и практически монодисперсный факел распыла.

При дальнейшем увеличении скорости вращения (более 8 м/с) второй режим распыления сменяется третьим, характеризуемым, в силу свойств структуры корпуса 2 распылителя, независимостью расхода от скорости вращения. Большие скорости вращения приводят к образованию на поверхности нитей равномерных тонких пленок жидкости и ее избытку на концах нитей 4. Срыв жидкости в газовую фазу происходит с концов нитей в виде мелких одноразмерных капель.

Этот режим аналогичен известному. Однако, благодаря формированию капель на концах длинных нитей 4, увеличивается радиус их отрыва с каплеобразующих элементов, что позволяет достигать режим тонкодисперсного распыления при меньшей скорости вращения распылителя. Это уменьшает удельный расход энергии на распыливание в этом режиме в сравнении с прототипом при сохранении степени монодисперсности факела жидкости.

Процесс перехода от режима к режиму обратим и может регулироваться путем варьирования расхода или скорости вращения распылителя.

Таким образом, использование каплеобразующих элементов в виде гибких упругих смачиваемых нитей (принимающих при вращении распылителя форму, соответствующую траекториям движения капель от его поверхности), способствует устойчивому каплеобразованию при меньших скоростях вращения, распаду перемычек между каплями и удержанию мелких капель спутников непосредственно на поверхности нитей, что позволяет уменьшить удельный расход энергии на распыливание и получить практически монодисперсный состав распыла как в режиме тонкодисперсного распыления, так и при получении крупных основных капель. Кроме того, применение нитей с длиной свободной части (от кромки распылителя) более длины нераспавшейся части жидких струй позволяет получить монодисперсный факел при работе распылителя в наиболее производительном и менее энергоемком струйном режиме распыления.

Использование: распыливание жидкости в различных технологических процессах. Сущность изобретения: в механическом распылителе каплеобразующие элементы выполнены в виде гибких упругих смачиваемых нитей. 5 ил.

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ, содержащий приводной вал, установленный на нем проницаемый цилиндрический корпус в виде пакета дисков с установленными в зазорах между ними каплеобразующими элементами и патрубок подвода жидкости, отличающийся тем, что каплеобразующие элементы выполнены в виде гибких упругих смачиваемых нитей.