СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК B05B1/34 

Изобретение относится к области распыления жидкости и может быть использовано в системах увлажнения, кондиционирования пожаротушения, а также обработки отформованных изделий из бетона и железобетона.

Известен центробежный способ нестационарного распыления жидкости, в котором распыление жидкости достигается путем завихрения жидкости тангенциальным ее вводом в камеру завихрения, установление в этой камере плохо обтекаемого тела и истечение завихренного потока жидкости в виде кольцевой пелены, образующей факел распыления [А.С. СССР N 708112 F 23 D 11/32].

К недостаткам известного способа следует отнести наличие значительных гидравлических потерь в распыливающем устройстве, а также смещение дисперсности распыливания в сторону крупных капель и нарушение равномерности факела распыливания при низких напорах давления жидкости в подающем трубопроводе, изменяющемся в пределах значения величин давления от 0,15 МПа (1,5 ати) до 0,3 МПа (3,0 ати).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является выбранный в качестве прототипа способ распыления жидкости, гидравлические потери которого сведены к минимуму, включающий в себя завихрение жидкости в камере завихрения путем пропускания этой жидкости через каналы шнекового завихрителя, на выходе которых в канавках переходного участка, выполненного между завихрителем и его выступающей частью, в глубину завихряющегося потока жидкости камеры завихрения формируются вихревые шнуры и истечение завихряющегося потока жидкости через выходное сопло в виде кольцевой пелены, образующей факел распыливания [А.В. Андреев, В.Г. Базаров, С. С. Григорьев, А.Л. Душкин, Л.А. Люлька. Динамика газожидкостных форсунок. М. : Машиностроение 1991 г., с. 198 - 200]. Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство распыливания жидкости, содержащее полый корпус с сужающимся по ходу потока выходным участком с соплом и установленный в корпусе шнековый завихритель с накопленными к оси устройства распыливания жидкости каналами и сужающегося к соплу выступа, образующего с выходным сужающимся участком корпуса камеру завихрения к канавками на переходном участке, выполненном между завихрителем и выступом и образующем с сужающимся по ходу потока выходным участком расширяющуюся к соплу кольцевую щель, а канавки, являющиеся выходным участком каналов шнекового завихрителя, выполнены на переходном участке с глубиной, плавно уменьшающейся по ходу потока [А.В. Андреев, В.Г. Базаров, С.С. Григорьев, А. Л. Душкин, Л.А. Люлька. Динамика газожидкостных форсунок. М.: Машиностроение 1991 г., с. 198 - 200].

Недостатком известного устройства распыления жидкости являются те же недостатки, которые существуют у приведенного выше аналога.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности распыливания жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе распыления жидкости, включающем в себя завихрение жидкости в камере завихрения путем пропускания этой жидкости через каналы шнекового завихрителя, на выходе которых в канавках переходного участка, выполненного между завихрителем и его выступающей частью, в глубину завихряющегося потока жидкости камеры завихрения формируются вихревые шнуры и истечение завихренного потока жидкости через выходное сопло в виде кольцевой пелены, образующей факел распыливания, дополнительно формируют вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в камере завихрения путем пропускания потока жидкости через канавки, выполненные на боковой поверхности и/или выступающей части шнекового завихрителя, и/или сужающегося по ходу потока жидкости выходного участка корпуса распыливающего устройства, причем все канавки, дополнительно формирующие вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в завихряющемся потоке камеры завихрения, направлены в сторону выходного сопла и/или к его оси, и/или со смещением к этой оси.

Поставленная цель достигается тем, что устройство распыления жидкости, содержащее полый корпус с сужающимся по ходу потока выходным участком с соплом и установленный в корпусе шнековый завихритель с наклоненными к оси устройства распыления жидкости каналами и сужающегося к соплу выступа, образующего с выходным сужающимся участком корпуса камеру завихрения с канавками на переходном участке, выполненном между завихрителем и выступом и образующем с сужающимся по ходу потока выходным участком расширяющуюся к соплу кольцевую щель, а канавки, являющиеся выходными участками каналов шнекового завихрителя, выполнены на переходном участке с глубиной, плавно уменьшающейся по ходу движения потока, отличающееся тем, что сужающийся по ходу движения жидкости выходной участок корпуса и/или выходное сопло выполнены в виде металлической втулки, впрессованной в основание выходного участка корпуса, и/или контур заземления, либо источник стабилизированного напряжения соединены электрическим проводником с выходным соплом, и/или конусный выступ завихрителя выполнен так, что для этого конуса выполняется отношение диаметра верхней части усеченного конуса (d₁) к диаметру выходного сопла (d_вых.) и отношения расстояния от выступа до выхода (l) к диаметру d_вых., изменяющиеся от 0,5 до 5,0, и расширяющаяся кольцевая щель формируется вдоль боковой поверхности выступа завихрителя.

Сравнение заявляемых технических решений в данной области техники позволило установить их соответствие критерию "Существенные отличия"
При изучении других технических решений в данной области техники, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, они не были выявлены, и поэтому эти отличительные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

Заявляемое изобретение поясняется следующими рисунками:
Фиг. 1 - конструктивная схема распыливания;
Фиг. 2 - схема течения жидкости и образование вихрей в камере завихрения для прототипа;
Фиг. 3 - схема течения жидкости и образование вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй в камере завихрения;
Фиг. 4 - график распределения дисперсности распыливания;
Фиг. 5 - график распределения расходонапряженности по сечению факела распыливания.

На рисунках и в тексте описания изобретения введены следующие обозначения.

l - расстояние от выступа до входа в выходное сопло устройства распыливания жидкости,
d₁ - диаметр верхней части усеченного конуса выступа,
d_вых. - диаметр выходного сопла,
lgN - логарифм числа капель данного диапазона диметров,
lgd_к - логарифм среднемедианного диаметра капель,
- средняя расходонапряженность жидкости в факеле распыливания,
ϕ - угол поворота отрезка по сечению и вокруг осевой линии факела распыливания, в интервале которого измеряется расход (расходонапряженность) распыленной жидкости.

Осуществление заявленного изобретения поясняется устройством, представленным рисунками фиг. 1, фиг. 2, которое содержит полый корпус 1 с сужающимся по ходу потока выходным участком 2 с соплом 3 и установленный в корпусе 1 шнековый завихритель 4 с наклоненными к оси устройства распыления жидкости каналами 5 и сужающегося к соплу 3 выступа 6 завихрителя 4, образующего с сужающимся по ходу потока выходным участком 2 корпуса 1 камеру завихрения 7 с канавками 8 на переходном участке 9, выполненном между завихрителем 4 и выступом 6 и образующем с сужающимся по ходу потока выходным участком 2 корпуса 1 кольцевую щель 10, а канавки 8, являющиеся выходными участками каналов 5 шнекового завихрителя 4, выполнены на переходном участке 9 с глубиной, плавно уменьшающейся по ходу потока, причем на выходе канавок 8 формируются соответствующие вихревые шнуры 11, направленные по ходу потока в камеру завихрения 7, дополнительно по боковой поверхности и/или выступа 6 завихрителя 4 и/или сужающегося по ходу потока выходного участка 2 выполнены соответствующие канавки 12 и 13, формирующие на своих выходах соответствующие вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи 14 и 15, направленные в сторону сопла 3 и/или к его оси и/или со смещением к этой оси.

Кроме того, дополнительно, и/или выходное сопло 3 и сужающийся по ходу потока выходной участок 2 корпуса 1 выполнены в виде втулки 16, вставленной в основание сужающего выходного участка 2 корпуса 1; и/или выходное сопло 3 с помощью электрического проводника 17 соединено либо с контуром заземления 18, либо с источником стабилизированного напряжения, и/или выступ 6 завихрителя 4 выполнен в виде усеченного конуса так, что для этого конуса выполняется отношение диаметра верхней части усеченного конуса выступа 6 (d₁) к диаметру выходного сопла 3 (d_вых.) и отношение расстояния от выступа 6 до входа выходного сопла 3 (l) к диаметру d_вых., изменяющиеся в пределах от 0,5 до 5,0, и расширяющаяся кольцевая щель формируется вдоль всей поверхности выступа 6 завихрителя 4, а на выходе устройства формируется факел распыливания 19.

Графики зависимостей 20, 21 получены экспериментально для условий, когда сужающийся по ходу потока выходной участок 2 корпуса 1 и сопло 3 выполнены в виде металлической втулки 16, вставленной в основание сужающегося выходного участка 2 корпуса 1, и на боковых поверхностях выступа 6 завихрителя 4 и выходного участка 2 корпуса 1 металлической втулки 16 отсутствуют канавки 12 и 13, при этом металлическая втулка 16 не имеет соединения электрическим проводником 17 либо с контуром заземления 18, либо с источником стабилизированного напряжения, а давление жидкости в подводящем трубопроводе составляет величину 0,15 Мпа (1,5 ати).

Графики зависимостей 22 и 23 получены экспериментально для условий, когда сужающийся по ходу потока выходной участок 2 корпуса 1 и сопло 3 выполнены в виде металлической втулки 16, вставленной в основание сужающегося выходного участка 2 корпуса 1 и соединены электрическим проводником 17 с контуром заземления 18, при этом канавки 12 и 13, выполненные на боковых поверхностях соответствующего выступа 6 завихрителя 4 и сужающегося по ходу потока выходного участка 2 корпуса 1 металлической втулки 16 направлены в сторону сопла 3 со смещением относительно его оси и формируют на своих выходах дополнительные вихревые шнуры 14 и 15, закручивающие вихревой поток в камере завихрения 7 с круткой, совпадающей с круткой, создаваемой каналами 5 шнекового завихрителя 4, при этом давление жидкости в подводящем трубопроводе составляет величину 0,15 Мпа (1,5 ати).

Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом:
При подаче жидкости к каналам 5 завихрителя 4 жидкость истекает в камеру завихрения 7 в виде завихряющихся затопленных струй, касательных к поверхности сужающегося участка 2 корпуса 1, образует в камере 7 полый вихрь и истекает через втулку 16 сопла 3 в виде тонкой кольцевой пелены, диспергирующейся на мелкие капли и образующей факел распыливания 19.

При прохождении жидкости через полуоткрытые каналы 5 переходного участка 9 завихрителя 4, имеющие уменьшающееся по ходу потока проходное сечение, часть жидкости заполняет кольцевую щель 10. При этом каждая струя как бы расплющивается по внутренней поверхности сужающегося участка 2 корпуса 1. Это предотвращает образование в камере завихрения 7 зон обратных потоков, в которых всхлапываются кавитационные пузырьки при возникновении кавитации. Кроме того, при истечении каждой струи из каналов 5 в расширяющуюся по ходу потока кольцевую щель 10 осевая составляющая скорости в ней тормозится, а окружная составляющая скорости, согласно закону постоянства циркуляции, возрастает, при этом закрутка в этой кольцевой щели 10 превышает окружную составляющую движения жидкости в каналах 5, вследствие чего, там индуцируются вихревые шнуры 11.

Канавки 12 и 13, выполненные на боковых поверхностях выступа 6 завихрителя 4 и сужающегося по ходу потока участка 2 корпуса 1 могут быть связаны, а могут быть и не связаны с потоком жидкости подающего трубопровода. В первом случае на выходах этих канавок 12 и 13 образуются соответственно только завихряющиеся затопленные струи 14 и 15, которые так же, как затопленные струи, выходящие из каналов 5, расплющиваются по внутренней поверхности сужающего участка 2 корпуса 1.

Для второго случая на выходах канавок 12 и 13 индуцируются вихревые шнуры 14 и 15, которые имеют такую же природу своего формирования, что и вихревые шнуры 11, выходящие из каналов 5.

Выходящие из канавок 12 и 13 вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи 14 и 15 закручиваются в вихревом потоке камеры завихрения 7 и/или в направлении закрутки, совпадающей с закруткой, создаваемой затопленными струями, выходящими из каналов 5, и/или вокруг своих осевых линий под воздействием закручиваемого в кольцевой щели 10 камеры завихрения 7 этих же затопленных струй, выходящих из каналов 5.

Согласно закону постоянства циркуляции по оси каждого из вихревых шнуров 11 и вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй 14 и 15 давление минимально, вследствие чего в них при осевой области возникает вскипание и кавитация жидкости.

При этом за счет организации закрутки струек в открытых каналах 5 и образования вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй 14 и 15 кавитация организована в толще организованного закручиваемого потока, что предотвращает разрушение от нее элементов конструкции.

Далее закрученная жидкость совместно с вихревыми шнурами 11 и вихревыми шнурами и/или завихряющимися затопленными струями 14 и 15 течет по камере завихрения 7 в градиентном потоке с увеличивающейся по мере приближения к соплу 3 окружной составляющей скорости, что приводит к активному и интенсивному диспергированию кавитационных пузырьков в толще потока камеры завихрения 7 до размеров 0,1 мкм, и истекает через сопло 3 в виде кольцевой пелены, насыщенной паровыми пузырьками, формируя на выходе сопла 3 факел распыливания 19 с большим углом раскрытия.

Выполнение соотношения диаметра верхней части выступа 6 (d₁) к диаметру выходного сопла 3 (d_вых.) и расстояния от выступа 6 до входа в выходное сопло 3 (l) к диаметру (d_вых.), изменяющиеся в пределах от 0,5 до 5,0, и соответствующем стремлении этих значений к величине 0,5 способствуют интенсивному развитию образования вихревых шнуров 11 и вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй 14 и 15 с последующей их активной локализацией по осям кавитации и предотвращением всхлапывания кавитационных пузырей в камере завихрения 7, что в свою очередь способствует измельчению капель распыливающей жидкости до размеров 0,1 мкм и интенсификации процесса распыления.

При наличии соединения электрическим проводником 17 либо к контуру заземления 18, либо к источнику стабилизированного напряжения выходного сопла 3 осуществляется активная интенсификация процесса электризации мелкодисперсных капель вследствие оттока (притока) электрических зарядов с контура заземления 18, либо с источника стабилизированного напряжения. При этом электризация мелкодисперсных капель жидкости вследствие механического (пневматического) разрыва межмолекулярных связей этой жидкости является основным механизмом образования электризованных капель распыливаемой жидкости как в прототипе, так и в заявляемом изобретении. Дополнительный отток (приток) статического электрического заряда либо с контура заземления 18, либо с источника стабилизированного напряжения, который осуществляется путем срыва этих зарядов жидкостным потоком кольцевой пелены на выходе сопла 3 и способствует скорости электризации мелкодисперсных капель распыливаемой жидкости на выходе сопла 3 с последующим насыщением этих капель электрическим зарядом одного знака.

Вследствие наличия сил взаимного отталкивания одновременных зарядов, а именно электризованных мелкодисперсных капель распыливаемой жидкости, образуемых в кольцевой пелене факела распыливания 19 и возрастаемой по своей величине оттока (притока) статических электрических зарядов либо от контура заземления 18, либо от источника стабилизированного напряжения, угол раскрытия факела распыливания 19, а следовательно, интенсифицируется процесс дальнейшего дробления капель жидкости, двигающихся в потоке кольцевой пелены распыливаемой жидкости.

Пример 1 конкретной реализации способа и устройства распыления жидкости:
В устройстве распыления жидкости, реализующем способ распыления жидкости, сужающийся по ходу потока выходной участок 2 корпуса 1 и сопло 3 выполнены в виде металлической втулки 16, впрессованной в основание сужающегося выходного участка 2 корпуса 1 и заземленной электрическим проводником 17 к контуру заземления 18, при этом канавки 12 и 13, выполненные на боковых поверхностях выступа 6 завихрителя 4 и сужающегося по ходу потока участка 2 корпуса 1 металлической втулки 16, направлены в сторону сопла 3 со смещением относительно его оси, формируя на своих выходах соответствующие вихревые шнуры 14 и 15, закручивающие вихревой поток в камере завихрения 7 с круткой, совпадающей с круткой, создаваемой соответствующими каналами 5 шнекового завихрителя 4. При этом процессу распыления в устройстве распыления жидкости подвергалась вода, давление которой в подающем трубопроводе поддерживалось на уровне величины 0,15 Мпа (1,5 ати). Кроме того, диаметр выходного сопла 3 металлической втулки имел значение 0,8 мм, ширина каналов 5 и канавок 8, 12 и 13 имела значение 0,7 мм, соотношение d₁/d_вых=d₁/d_вых=0,8, а также количество каналов 5 и канавок 8, 12 и 13 по четыре штуки каждого вида каналов и канавок.

Для сравнительного анализа устройство распыливания жидкости, достаточно подробно описанное выше, использовали в двух режимах: первый режим - это режим, в котором условия работы устройства распыления жидкости повторяли условия работы прототипа, что соответствует экспериментально полученным значениям графиков зависимостей 20, 21 фиг. 4 и фиг. 5, второй режим соответствует условиям экспериментального получения значений графиков зависимостей 22 и 23 фиг. 4 и фиг. 5, а также всем описанным выше условиям настоящего примера реализации способа и устройства распыления жидкости.

Сравнение результатов изменений и построенных на их основе графиков зависимостей 20, 21, 22, 23 фиг. 4 и фиг. 5 между собой позволяют сделать вывод о том, что при работе устройства распыления жидкости в примере реализации по условиям первого режима работы прототипа наблюдается значительная неравномерность расходонапряженности по сечению факела, по которому осуществлялось измерение величин расходонапряженности для получения графиков 20, 21, и дисперсность капель по этому сечению изменялась в пределах от 2,5 до 45 мкм, а при работе устройства распыления жидкости по условиям второго режима работы наблюдалась значительная стабилизация равномерности расходонапряженности и дисперсность распыления сместилась в область более мелких капель (от 0,1 мкм до 5,0 мкм) при давлении жидкости 0,15 МПа (1,5 ати) в подающем трубопроводе.

Использование предлагаемого изобретения позволит значительно повысить надежность распыливания за счет повышения качества распыливания вследствие создания дополнительных вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй в камере завихрителя 7, осуществление оригинального соотношения геометрических размеров выступа 6, а также организации связи электрическим проводником 17 выходного сопла 3 металлической втулки 16 либо с контуром заземления 18, либо со стабилизированным источником напряжения, использование которых обеспечивает смещение дисперсности распыливания в сторону уменьшения размеров капель факела распыливания 19, а также позволит сократить значительно энергетические затраты, которые возникают при создании высокого напора давления жидкости (0,3 до 0,5 МПа) или (от 3,0 до 5,0 ати) в подающем трубороводе для работы распыливающего устройства по условиям работы прототипа.

Изобретение относится к распылению жидкости и может быть использовано в системах увлажнения, кондиционирования, пожаротушения, а также обработки отформованных изделий из бетона и железобетона. В способе распыления жидкости дополнительно формируют вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в камере завихрения путем пропускания потока жидкости через канавки, выполненные по боковой поверхности, и/или выступающей части шнекового завихрителя, и/или сужающегося по ходу потока жидкости выходного участка корпуса распыливающего устройства. Все канавки, дополнительно формирующие эти вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в завихряющемся потоке камеры завихрения, направлены в сторону завихрения выходного сопла и/или к его оси, и/или со смещением относительно этой оси. В устройстве распыления жидкости сужающейся по ходу движения жидкости выходной участок корпуса и/или выходное сопло выполнены в виде металлической втулки, впрессованной в основание выходного участка корпуса, и/или контур заземления либо источник стабилизированного напряжения соединены электрическим проводником с выходным соплом, и/или конусный выступ завихрителя выполнен так, что для этого конуса выполняется отношение диаметра верхней части усеченного конуса (d1) к диаметру выходного сопла dвых, и отношения расстояния от выступа до выхода (l) к диаметру dвых, изменяющиеся от 0,5 до 5,0. Расширяющаяся кольцевая щель формируется вдоль боковой поверхности выступа завихрителя. Использование изобретения позволит значительно повысить надежность распыливания за счет повышения качества распыливания вследствие создания дополнительных вихревых шнуров и/или завихряющихся затопленных струй в камере завихрителя, осуществление оригинального соотношения геометрических размеров выступа, а также организация связи электрическим проводником выходного сопла металлической втулки либо с контуром заземления, либо со стабилизированным источником напряжения, использование которых обеспечивает смещение дисперсности распыливания в сторону уменьшения размеров капель факела распыливания, а также позволит сократить значительно энергетические затраты, которые возникают при создании высокого напора давления жидкости (от 0,3 до 0,5 МПа) или (от 3,0 до 5,0 ати) в подающем трубопроводе для работы распыливающего устройства. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ распыления жидкости, включающий в себя завихрение жидкости в камере завихрения путем пропускания этой жидкости через каналы шнекового завихрителя, на выходе которых в канавках переходного участка, выполненного между завихрителем и его выступающей частью, в глубину завихряющегося потока жидкости камеры завихрения формируются вихревые шнуры и истечение завихренного потока жидкости через сопло в виде кольцевой пелены, образующей факел распыливания, отличающийся тем, что дополнительно формируют вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в камере завихрения путем пропускания потока жидкости через канавки, выполненные по боковой поверхности и/или выступающей части шнекового завихрителя, и/или сужающегося по ходу потока жидкости выходного участка корпуса распыливающего устройства, причем все канавки, дополнительно формирующие эти вихревые шнуры и/или завихряющиеся затопленные струи в завихряющемся потоке камеры завихрения, направлены в сторону завихрения выходного сопла и/или к его оси, и/или со смещением относительно этой оси. 2. Устройство распыления жидкости, содержащее полый корпус с сужающимся по ходу потока выходным участком с соплом и установленный в корпусе шнековый завихритель с наклоненными к оси устройства распыления жидкости каналами и сужающегося к соплу выступа, образующего с выходным сужающимся участком корпуса камеру завихрения с канавками на переходном участке, выполненном между завихрителем и выступом и образующем с сужающимся по ходу потока выходным участком расширяющуюся к соплу кольцевую щель, а канавки, являющиеся выходными участками каналов шнекового завихрителя, выполнены на переходном участке с глубиной, плавно уменьшающейся по ходу движения потока, отличающееся тем, что сужающийся по ходу движения жидкости выходной участок корпуса и/или выходное сопло выполнены в виде металлической втулки, впрессованной в основание выходного участка корпуса и/или либо контур заземления, либо источник стабилизированного напряжения соединены электрическим проводником с выходным соплом и/или конусный выступ завихрителя выполнен так, что для этого конуса выполняется отношение диаметра верхней части усеченного конуса (d₁) к диаметру выходного сопла (d_вых), и отношения расстояния от выступа до выхода (l) к диаметру d_вых, изменяющиеся от 0,5 до 5,0, и расширяющаяся кольцевая щель формируется вдоль боковой поверхности выступа завихрителя.