ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА Российский патент 1997 года по МПК B05B7/06 

Изобретение относится к устройствам для диспергирования жидкости сжатым газом и может быть использовано в тепломассообменных аппаратах, например сушилках, испарителях и т.п.

Известна пневматическая форсунка внутреннего смешения, содержащая корпус, насадок с соплом, внутреннюю и внешнюю трубки, образующие кольцевую камеру для подачи сжатого воздуха, и сообщенную с внутренней трубкой камеру смешения (1).

Недостатком известной форсунки является получение грубого распыла по сравнению с форсунками внешнего смешения.

Наиболее близкой из известных является пневматическая форсунка, включающая корпус с размещенными в нем соосно цилиндрами, имеющими выходные участки в виде диффузоров, и установленный по оси внутреннего цилиндра насадок, образующие кольцевые сопла для выхода жидкости и газа, по меньшей мере одно из которых выполнено регулируемым (2).

Недостатком известной форсунки является получение неоднородности распыла в случае наличия в диспергируемой жидкости грубых частиц или если жидкость имеет склонность к схватыванию. В этом случае при нагреве происходит забивание кольцевой щели выхода жидкости. Забивание кольцевого сечения для выхода жидкости приводит к снижению интенсивности тепло и массообмена в сушилке из-за уменьшения ее производительности и нарушения равномерности распределения капель жидкости в объеме сушилки.

Цель изобретения обеспечение однородности распыла и повышение надежности эксплуатации.

Это достигается тем, что в пневматической форсунке, включающей корпус с размещенными в нем соосно цилиндрами, имеющими выходные участки в виде диффузоров и установленный по оси внутреннего цилиндра насадок, образующие кольцевые сопла для выхода жидкости и газа, по меньшей мере одно из которых выполнено регулируемым, диффузор внутреннего цилиндра выполнен с диаметром, меньшим диаметрам насадка и диффузора промежуточного цилиндра, образующих между собой газожидкостное сопло, стенка которого, продолжающая кольцевое газовое сопло, выполнена со скошенным под углом α=7-12^° выходным участком после диффузора внутреннего цилиндра, а высота кольцевого газожидкостного сопла выбрана из соотношения

где h высота кольцевого газожидкостного сопла, мм;
D диаметр кольцевого газожидкостного сопла, мм;
D₀ диаметр диффузора внутреннего цилиндра, мм;
S высота кольцевой щели между диффузором внутреннего цилиндра и стенкой газожидкостного сопла, обтекаемой газом, на диаметре, мм;
β острый угол наклона к вертикали стенки газожидкостного сопла, обтекаемой газом, град.

α=7-12^° угол скоса.

При этом скос стенки газожидкостного сопла может быть выполнен на поверхности насадка или на поверхности диффузора промежуточного цилиндра, а внутренние поверхности газожидкостного сопла выполнены с износостойким покрытием.

На фиг.1 представлен один из вариантов конструкции предлагаемой пневматической форсунки.

Форсунка состоит из корпуса 1, двух соосно расположенных промежуточного и внутреннего цилиндров 2 и 3, выходные участки корпуса и цилиндров выполнены в виде диффузоров 4 6, в нижней части внутреннего цилиндра 3 установлен подвижный конусообразный насадок 7, вертикальное положение которого можно регулировать либо с помощью стержня 8, либо с помощью мелкой резьбы, либо цанговым зажимом или другим способом. Диффузор 6 выполнен с меньшим диаметром D₀ по сравнению с другими диффузорами 4 и 5 и насадком 7 и оказывается затопленным в канал, образованный диффузором 5 и насадком 7. Насадок 7 выполнен таким образом, что его стенка, продолжающая кольцевое газовое сопло за участком, соответствующим диаметру D₀ диффузора 6, имеет скос с углом 7 12^o на выходном участке. В своей верхней части форсунка имеет коллектор 9 для подачи жидкости и штуцер 10 для подвода сжатого газа. Таким образом, корпус 1 и два цилиндра 2 и 3, промежуточный и внутренний, образуют три канала один центральный B для прохода жидкости и два, наружный A₁ и внутренний A₂, для прохода сжатого газа. В нижней концевой части упомянутые диффузоры и насадок образуют два сопла. Через верхнее сопло истекает сжатый газ, а через нижнее газожидкостной поток, формируемый за диаметром диффузора 6.

На фиг. 2 представлен другой вариант пневматической форсунки, состоящей также из корпуса 1 и двух соосных с ним цилиндров 2 и 3, в нижней части которых имеются диффузоры 4 6, а в нижней части внутреннего цилиндра 3 неподвижно закреплен насадок 7. Как и в предыдущем варианте диффузор 6 имеет уменьшенный диаметр D₀. Отличие от первого варианта состоит в том, что вертикальные перемещения для целей регулирования имеет внутренний цилиндр 3 с диффузором 6 и насадком 7, а скос 7 12^o выполняется на поверхности диффузора 5, которая является верхней стенкой нижнего газожидкостного сопла. В этом варианте форсунки по внутреннему цилиндру подается жидкость (канал B) через штуцер 8, а по двум кольцевым каналам (наружному A₁ и центральному A₂) подается сжатый газ через штуцер 9. Вертикальные перемещения внутреннего цилиндра 3 совместно с диффузором 6 и насадком 7 обеспечиваются за счет сальникового или сильфонного или подобного им устройства 10.

Пневматическая форсунка (фиг.1) работает следующим образом.

Жидкость через коллектор 9 поступает в кольцевой канал B и, стекая вниз, поступает в начальный участок нижнего газожидкостного сопла. Этот начальный участок образован диффузорами 5 и 6. Сжатый газ через штуцер 10 поступает в два канала: A₁ и A₂, параллельно перемещаясь в направлении нижнего и верхнего сопл. Поступая в нижнее сопло между диффузором 6 и насадком 7, сжатый газ, истекая с высокой скоростью, взаимодействует с жидкостью и диспергирует ее в режиме форсунки внутреннего смешения. Капельно-газовая струя, истекая из сопла, подвергается повторному воздействию второго потока сжатого газа, который истекает из верхнего сопла. В результате разрушаются нестабильные крупные капли, обеспечивая большую однородность дисперсного состава и в итоге более интенсивный тепломассоперенос в основном аппарате.

Особенность конструкции состоит в том, что с помощью вертикального перемещения насадка 7 устанавливается кольцевая щель между насадком и диффузором 6, которая обеспечивает определенный расход сжатого воздуха в это сопло для первичного дробления жидкости. Скос в 7 12^o на поверхности насадка 7, который начинается от устья упомянутой щели, обеспечивает два преимущества: во-первых, за счет расширения газовой струи создается инжекционный эффект для жидкости, а, во-вторых, расширяющееся газожидкостное сопло практически исключает возможность его забивания продуктом. Величина угла скоса 7 12^o отвечает условию безотрывного течения газовой струи, что также исключает повторный занос материала из окружающей среды на нижнюю рабочую поверхность газожидкостного сопла. Кроме того расширяющийся профиль сопла исключает возникновение в нем повышенного давления, что дополнительно экономит энергию по жидкому и газовому потокам. Для создания инжекции и одновременно с целью исключения повышенного давления в газожидкостном сопле между D₀ и D высоту h сопла на диаметре D необходимо выбрать таким образом, чтобы она не превышала или была несколько меньше высоты газожидкостного потока, истекающего из сопла. Расширение турбулентной газожидкостной струи при различных начальных концентрациях по дисперсной фазе происходит при центральном угле раскрытия 15 25^o (1). Путем вертикального перемещения насадка подбирается высота сопла, при которой разрежение в жидкостном канале B будет максимальным. Это и будет отвечать условию соответствия высоты газожидкостной струи и высоты этого сопла. Расширяющийся профиль газожидкостного сопла, во-первых, обеспечивает большое выходное сечение сопла, предотвращающее его забивание, а, во-вторых, исключает повышенное давление внутри него. Перемещая насадок в вертикальном направлении, можно перераспределять подачу сжатого газа между каналами А₁ и A₂, воздействуя тем самым на дисперсный состав распыляемой жидкости. Действительно известно (2), что форсунки внутреннего смешения дают более грубый дисперсный состав нежели форсунки внешнего смешения. В предлагаемой конструкции нижнее газожидкостное сопло является конструкцией внутреннего смешения, а верхнее газовое сопло обеспечивает взаимодействием с газожидкостным потоком в режиме внешнего смешения. Изменяя соотношения расходов сжатого газа в нижнее и верхнее сопла, варьируют дисперсный состав капель. Учитывая, что главная функция перемещаемого насадка отрегулировать выходное сечение газожидкостного сопла, перераспределение воздуха между каналами A₁ и A₂ можно обеспечить дополнительно либо подбором проходных сечений этих каналов, либо организацией внешней независимой подачи сжатого газа к каждому из упомянутых каналов.

Пневматическая форсунка, изображенная на фиг.2, работает аналогично первой конструкции, изображенной на фиг.1, с той лишь разницей, что жидкость подают во внутренний цилиндр 3, образующий канал B, жидкость поступает через нижнюю его часть в кольцевое пространство между диффузором 6 с диаметром и насадком 7. В данной конструкции при жестком закреплении насадка в концевом участке цилиндра 3, например с помощью ребер, регулирование режима работы газожидкостного сопла обеспечивается за счет вертикальных перемещений цилиндра 3 с закрепленными в его нижней части диффузором 6 и насадком 7. Тогда часть сжатого газа, поступающая в канал A₂, а затем в кольцевое пространство между диффузорами 5 и 6, входит в газожидкостное сопло, в котором взаимодействует с потоком жидкости и первично диспергирует ее. В данной конструкции требуемые высота щели между диффузорами 5 и 6, а также высота сопла между диффузором 5 и насадком 7 устанавливаются путем вертикального перемещения цилиндра 3 в сальнике 10. В данной конструкции для обеспечения того же эффекта инжекции жидкости, незабиваемости газожидкостного сопла, о чем говорилось выше применительно к конструкции по фиг.1, скос под углом в 7 - 12^o выполняется на нижней поверхности сопла 5, являющейся верхней стенкой газожидкостного сопла. В данной конструкции отпадает необходимость в коллекторе жидкости, и жидкость подается в форсунку через штуцер 8. Сжатый газ подводится к форсунке через штуцер 9.

Условия работы форсунок, например в сушильных аппаратах, требуют обеспечения, как правило, осесимметричного факела распыления, причем в зависимости от условий сушки может требоваться "узкий" или "развернутый" факел. В зависимости от этих требований могут изменяться и угол наклона (центральный угол) диффузоров и насадка вплоть до горизонтальной конфигурации плоского факела распыления.

У первого и второго вариантов конструкции имеются свои предпочтительные области применения:
форсунка по фиг.1 предназначена для повышенных производительностей при работе на суспензиях и растворах или для небольших производительностей при работе на чистых жидкостях или тонких суспензиях;
форсунка по фиг.2 предназначена для более грубых суспензий или для эксплуатации при небольших производительностях по жидкости.

Использование: диспергирование жидкости сжатым газом. Может быть использовано в тепло-и массообменных аппаратах например сушилках, испарителях и т. п., при обеспылении однородности распыла и повышении надежности. Сущность изобретения: диффузор 6 внутреннего цилиндра 3 выполнен с диаметром, меньшим диаметров насадка 7 и диффузора 5 промежуточного цилиндра, образующих между собой газожидкостное сопло, стенка которого, продолжающая кольцевое газовое сопло, выполнено со скошенным под углом α=7-12^° выходном участке после диффузора 6 внутреннего цилиндра 3. Высота кольцевого газожидкостного сопла выбрана из соотношения, приведенного в описании. Скос стенки газожидкостного сопла может быть выполнен на поверхности насадка. Скос стенки газожидкостного сопла может быть выполнен на поверхности диффузора промежуточного цилиндра. Для повышения долговечности работы внутренние поверхности газожидкостного сопла выполнены с износостойким покрытием. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пневматическая форсунка, включающая корпус с размещенными в нем соосно цилиндрами, имеющими выходные участки в виде диффузоров, и установленный по оси внутреннего цилиндра насадок, образующие кольцевые сопла для выхода жидкости и газа, по меньшей мере одно из которых выполнено регулируемым, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения однородности распыла и повышения надежности эксплуатации, диффузор внутреннего цилиндра выполнен с диаметром, меньшим диаметров насадка и диффузора промежуточного цилиндра, образующих между собой кольцевое газожидкостное сопло, стенка которого, продолжающая кольцевое газовое сопло, выполнена со скошенным под углом α = 7-12^° выходным участком после диффузора внутреннего цилиндра, а высота кольцевого газожидкостного сопла выбрана из соотношения

где h высота кольцевого газожидкостного сопла, мм;
D диаметр кольцевого газожидкостного сопла, мм;
D_o диаметр диффузора внутреннего цилиндра, мм;
S высота кольцевой щели между диффузором внутреннего цилиндра и стенкой газожидкостного сопла, обтекаемой газом на диаметре D_o, мм;
β - острый угол наклона к вертикали газожидкостного сопла, град.

α - угол скоса 7 12^o.