ЖИДКОСТНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 1999 года по МПК F23D11/04 

Изобретение относится к технике распыления жидкости и может быть использовано в технологическом оборудовании, в системах пожаротушения, а также для увлажнения, адсорбции и, кроме того, для сжигания топлива в теплоэнергетике и транспорте.

В настоящее время известны различные типы форсунок для распыления жидкостей, используемые в различных устройствах. Так, например, известны жидкостные форсунки, образованные соосными каналами, выполненными в общем корпусе, и выходным соплом, которое образовано пересечением внешней конической поверхности проточки в корпусе форсунки и боковой поверхностью соосных каналов (см. патент RU 2111033 C1, МПК-6 A 62 C 31/02, опубликовано 20.05.98). Данное техническое решение направлено на создание равномерного по объему потока капель мелкодисперсного распыла в диапазоне диаметров капель от 30 до 150 мкм при давлении воды в канале подачи не более 1 МПа.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является жидкостная форсунка, содержащая цилиндрический корпус с каналом подвода жидкости, кольцевое выходное сопло с центральным телом (сердечником) сложной криволинейной осесимметричной формы (см. патент GB 1383294, МПК-2 F 23 D 13/20, 1975 г. ). В данной конструкции выходное сопло форсунки образовано каналом кольцеобразной формы, выполненным в корпусе, и внешней поверхностью центрального тела, имеющей изменяющуюся вдоль оси симметрии сложную геометрическую форму (в форме рюмки). Известная форсунка позволяет при низком перепаде давления в диапазоне от 0,3 до 0,8 МПа создавать поток капель при малых потерях механической энергии в условиях больших расходов воды 1..2 кг/с. Однако такое устройство, впрочем как и другие аналоги заявленного изобретения, не обеспечивают достаточно высокой равномерности распределения капель по объему распыления и не исключают присутствия в капельном облаке большого количества крупных капель с размером более 0,5 мм.

Заявленное изобретение направлено на повышение равномерности распыления жидкости как по объему пространства, в котором осуществляется распыление, так и по размерам капель. Решение данной технической задачи позволит повысить эффективность тепломассообменных процессов при распылении жидкости в устройствах различного назначения.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в жидкостной форсунке, содержащей осесимметричный корпус, кольцевое выходное сопло с центральным телом, внешняя поверхность которого имеет изменяющуюся вдоль его оси симметрии геометрическую форму, при этом выходное сопло форсунки образовано каналом кольцеобразной формы, выполненным в корпусе, и внешней поверхностью центрального тела, согласно настоящему изобретению, внешняя поверхность центрального тела образована по крайней мере двумя коническими поверхностями со ступенчато увеличивающимися по направлению истечения распыляемого потока углами при вершинах образующих поверхности конусов.

Форсунка преимущественно содержит по меньшей мере одно дополнительное выходное сопло, причем оба сопла размещены в корпусе соосно и последовательно одно за другим. В этом случае обеспечивается создание расхода жидкости, сравнимого с расходом в известном устройстве-аналоге, за счет создания нескольких пленок жидкости, т. е. в нескольких последовательных кольцевых соплах.

Канал кольцеобразной формы для каждого последующего выходного сопла может быть выполнен в служащем для него корпусом центральном теле предыдущего по ходу истечения распыляемого потока выходном сопле.

Канал подвода жидкости к последующему по направлению истечения распыляемого потока выходному соплу целесообразно выполнять в виде осесимметричного канала в центральном теле предыдущего выходного сопла.

Желательно, чтобы проходные сечения выходных сопел и размеры их центральных тел уменьшались от первого по направлению истечения распыляемого потока сопла к последующему.

В предпочтительном варианте исполнения угол при вершине конуса, образующего первую по направлению истечения распыляемого потока коническую поверхность, составляет от 20 до 30^o, а угол при вершине конуса, образующего последующую по направлению потока коническую поверхность, составляет от 60 до 70^o. Это обусловлено тем, что равномерность распыления в пространстве и уменьшение количества крупных капель связано с созданием при выходе из кольцевого сопла пленки жидкости, которая по мере расширения конусного сердечника с углом при вершине от 20 до 30^o, как это было установлено для воды, равномерно утончается, а при ступенчатом изменении этого угла до 60-70^o отрывается в виде волновой пелены, которая в свою очередь дробится на капли. Образование пленок происходит только на конусах с малыми углами до 30^o, но в то же время при очень малых углах (меньших 20^o) пленки жидкости при тех же габаритах оказываются недостаточно тонкими. Как было установлено, отрыв пленки в виде волнообразных пелен осуществляется при ступенчатом изменении угла при вершине конуса до величин не менее 60. При увеличении этого угла более 70^o капли отбрасываются на периферию и их равномерность нарушается.

Кроме того, целесообразно, чтобы длина последующего по направлению истечения распыляемого потока участка конической поверхности центрального тела была короче, чем длина предыдущего по направлению потока участка конической поверхности.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его осуществления и прилагаемым чертежом, на котором изображена конструктивная схема жидкостной форсунки.

Жидкостная форсунка содержит цилиндрический полый корпус 1 с каналом подвода жидкости и втулку 2 с полукольцевыми каналами 3 для подвода жидкости в кольцевое выходное сопло 4, образованное цилиндрической внутренней поверхностью втулки 2 и первым коническим центральным телом (сердечником) 5. Угол при вершине конусов, образующих внешнюю поверхность центрального тела 5 кольцевого сопла 4, ступенчато увеличивается в направлении истечения распыляемого потока. В осевом проходном канале 6 центрального тела 5 сопла 4 соосно установлена втулка 7 с полукольцевыми каналами 8, выходным соплом 9 и центральным телом (сердечником) 10. Конические центральные тела 5 и 10 выходных сопел 4 и 9 выполнены на первом участке по направлению истечения распыляемого потока с углом 30^o при вершине конуса, образующего их внешние поверхности, а на втором участке - с соответствующим углом 60^o. Площадь проходного сечения полукольцевых каналов 3 и 8 для каждого кольцевого сопла 4 и 9 превосходит в 1,5-2 раза площади проходных сечений соответствующих кольцевых сопел 4 и 9, что позволяет уменьшить входные потери и общие габариты форсунки.

Работа форсунки осуществляется следующим образом. Жидкость под давлением подается в полость корпуса форсунки 1 и затем поступает через полукольцевые каналы 3 в кольцевое сопло 4. Одновременно жидкость поступает через осевой проходной канал 6 и через полукольцевые каналы 8 во второе последовательно установленное кольцевое выходное сопло 9. При давлениях на входе в кольцевые сопла 4 и 9 более 0,2 МПа жидкость разгоняется на внешней конусной поверхности центральных тел 5 и 10 соответствующих кольцевых сопел. При этом пленка жидкости не отрывается от внешних поверхностей центральных тел 5 и 10 за счет действия вязкостных и поверхностных сил, что возможно, в случае использования воды, только за счет выбора угла при вершине образующего поверхность конуса не более 30^o. Разгон жидкости на конической поверхности центральных тел 5 и 10 сопровождается понижением в ней статического давления и в результате этого парообразованием и выделением растворимых газов. Это явление дополнительно подготавливает жидкость к дроблению на мелкие капли. При достижении жидкостного потока второго участка поверхности центральных тел 5 и 10 со ступенчатым увеличением угла при вершине образующего поверхность конуса до 60^o происходит отрыв потока жидкости от внешней поверхности центрального тела 5 и соответственно 10. Жидкостная пелена с газовыми включениями истекает в окружающее пространство, где происходит ее дробление на капли за счет взаимодействия разогнанной таким образом жидкости с заполненным газом пространством. Наличие газовых включений в жидкости дополнительно возмущает ее поверхность, что приводит к волнообразованию и объемному дроблению жидкостной пленки. Потери механической энергии при внешнем разгоне (по внешней конической поверхности) уменьшаются по сравнению с таким же разгоном в закрытом канале.

Результаты сравнительного испытания жидкостной форсунки представлены в прилагаемой таблице.

Представленные результаты получены при проведении испытаний на площади орошения 21 м², за границу которой принималось радиальное расстояние от форсунки, на котором интенсивность орошения была меньше 50% от среднего значения. Интенсивность орошения определялась с помощью 100 мерных емкостей. Размер капель определялся фотоэлектрическим спектрометром частиц с точностью 6,4%.

При испытаниях форсунки-прототипа (по патенту GB 1383294) наблюдалась кольцевая площадь с увеличенной почти вдвое интенсивностью орошения по сравнению с центральной и периферийной областями. Такое явление отсутствовало при работе форсунки, выполненной согласно настоящему изобретению.

Таким образом, как следует из представленных результатов, проведенные испытания показали высокую эффективность жидкостной форсунки с очевидными преимуществами перед известным устройством, что и определяет достижение технического результата, выражающегося в повышении тепломассообменных процессов при распылении жидкости.

Промышленная применимость
Изобретение может использоваться в различных отраслях техники, где требуется создать распыленные потоки жидкости как в замкнутом, так и в открытом пространстве. Жидкостная форсунка может применяться, например, в стационарных системах пожаротушения спринклерного типа, а также в двигательном машиностроении - для распыления топлива. Кроме того, форсунка может использоваться в различных технологических процессах, в которых требуется обеспечить высокую эффективность тепломассообменных процессов при распылении жидкостей.

Изобретение относится к технике распыления жидкости и может быть использовано в технологическом оборудовании, в системах пожаротушения, а также для увлажнения, адсорбции и, кроме того, для сжигания топлива в теплоэнергетике и транспорте. Жидкостная форсунка содержит осесимметричный корпус, кольцевое выходное сопло с центральным телом, внешняя поверхность которого имеет изменяющуюся вдоль его оси симметрии геометрическую форму. Выходное сопло форсунки образовано каналом кольцеобразной формы, выполненным в корпусе, и внешней поверхностью центрального тела. Внешняя поверхность центрального тела образована по крайней мере двумя коническими поверхностями со ступенчато увеличивающимися по ходу распыляемого потока углами при вершинах образующих поверхности конусов. Форсунка может содержать по меньшей мере одно дополнительное выходное сопло, причем оба сопла размещаются в этом случае в корпусе соосно и последовательно одно за другим. Канал кольцеобразной формы для каждого последующего выходного сопла выполняется в служащем для него корпусом центральном теле предыдущего по ходу истечения распыляемого потока выходном сопле. Проходные сечения выходных сопел и размеры их центральных тел уменьшаются от первого по направлению истечения распыляемого потока сопла к последующему. Угол при вершине конуса, образующего первую по направлению истечения распыляемого потока коническую поверхность, составляет 20 - 30°, а угол при вершине конуса, образующего последующую по направлению потока коническую поверхность, составляет 60 - 70°. Технический результат заключается в повышении тепломассообменных процессов при распылении жидкости. 6 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Жидкостная форсунка, содержащая осесимметричный корпус, кольцевое выходное сопло с центральным телом, внешняя поверхность которого имеет изменяющуюся вдоль его оси симметрии геометрическую форму, при этом выходное сопло форсунки образовано каналом кольцеобразной формы, выполненным в корпусе, и внешней поверхностью центрального тела, отличающаяся тем, что внешняя поверхность центрального тела образована по крайней мере двумя коническими поверхностями со ступенчато увеличивающимися по направлению истечения распыляемого потока углами при вершинах, образующих поверхности конусов. 2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно дополнительное выходное сопло, причем оба сопла размещены в корпусе соосно и последовательно одно за другим. 3. Форсунка по п.2, отличающаяся тем, что канал кольцеобразной формы для каждого последующего выходного сопла выполнен в служащем для него корпусом центральном теле предыдущего по ходу истечения распыляемого потока выходном сопле. 4. Форсунка по п.3, отличающаяся тем, что канал подвода жидкости к последующему по направлению истечения распыляемого потока выходному соплу выполнен в виде осесимметричного канала в центральном теле предыдущего выходного сопла. 5. Форсунка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что проходные сечения выходных сопел и размеры их центральных тел уменьшаются от первого по направлению истечения распыляемого потока сопла к последующему. 6. Форсунка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что угол при вершине конуса, образующего первую по направлению истечения распыляемого потока коническую поверхность, составляет 20 - 30^o, а угол при вершине конуса, образующего последующую по направлению потока коническую поверхность, составляет 60 - 70^o. 7. Форсунка по п.6, отличающаяся тем, что длина последующего по направлению истечения распыляемого потока участка конической поверхности центрального тела короче, чем длина предыдущего по направлению потока участка конической поверхности.