СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МОНОДИСПЕРСНОГО ПОТОКА КАПЕЛЬ ИЗ СТРУИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК B05B1/02 

Изобретение относится к области технологий изготовления из жидких электропроводных сред монодисперсных капель заданного размера и состава как в атомной, так и в других отраслях промышленности.

Обычно поток капель получают распыливанием соответствующего раствора.

Известны разные способы распыливания жидкости: механические, электрические, газовые, ультразвуковые, рассмотренные, например, в работе Пажи Д.Г. , Корягина А. А., Ламм Э.Л. "Распыливающие устройства в химической промышленности", М. , "Химия", 1975. 199 с. Всем им присущ общий недостаток: образующиеся капли в той или иной степени имеют значительный разброс размеров и траекторий.

Наиболее близок по своей сущности и достигнутому результату способ распыливания жидкости форсункой с соплом, имеющим цилиндрическое отверстие, работающей в режиме осесимметричного распада струи. (Ю.Ф.Дитяткин, Л.А. Клячко, Б.В.Новиков, В.И.Ягодкин. "Распыливание жидкостей", М., "Машиностроение". 1997. 208 с.).

В этом режиме работы форсунки можно получить наименьший, по сравнению с другими известными способами, разброс размеров и траекторий сформированных капель.

Этот способ, взятый за прототип, реализован, например, в устройстве генератора капель, описанном в RU а.с. N 764729, класс B 05 B 1/02, 1980.

Существенным недостатком способа-прототипа является то, что наличие даже относительно небольших различий в размерах и скоростях основного количества образующихся капель в начале их траектории, т.е. вблизи нераспавшейся части струи, по мере удаления от сопла приводит ко все более хаотичному распределению этих капель в пространстве.

Вследствие наложения отдельных капель, в том числе и многократного, ведущего к их слиянию, появляется значительное число капель, размеры и траектории которых существенно отличаются от исходных.

Положение усугубляется при горизонтальном направлении струи, когда на траекторию капель сильнее влияют гравитационные силы. Поэтому уже на сравнительно небольших расстояниях от сопла форсунки и при осесимметричном распаде струи поток состоит из рассеянных в пространстве капель различных размеров.

Целью изобретения является создание способа формирования капель, который обеспечивает постоянство их размеров и траекторий и максимально возможное расстояние между ними, что позволяет получить максимально возможный выход требуемых структур сфероидов в последующих технологических переделах.

Поставленная цель достигается тем, что нераспавшуюся часть струи жидкости, истекающую из сопла форсунки в режиме осесимметрического распада, отклоняют в противоположных направлениях, перпендикулярных оси струи, с частотой f_r= U_s/2λ_к,
где U_s - скорость истечения жидкости;
λ_к - длина капиллярной волны.

В этом случае диаметр всех образующихся капель (D_s) одинаков и равен D_s = 1,9 D_с, а расстояние между ними - максимально возможно (D_с - диаметр сопла).

Из всех возможных способов отклонения струи наиболее простым в реализации является способ, основанный на воздействии на нее локальным электрическим полем, действующим поочередно с противоположных перпендикулярных ее оси направлений с указанной выше частотой.

Отличительной особенностью предложенного способа является то, что в нем использовано не описанное в известной литературе явление резонанса волн капиллярного происхождения, образующихся на поверхности нераспавшейся части струи, и поперечных волн вынужденных колебаний, имеющих частоту f_r.

При отклонении нераспавшейся части струи локальным электрическим полем используется эффект взаимодействия электрического поля с индуцированным им в электропроводной среде зарядом (в рассматриваемом случае - с зарядом, индуцированным в поверхностном слое нераспавшейся части струи).

Отклонение локального участка струи происходит в направлении электрода, к которому прилагается потенциал, создающий электрическое поле, независимо от его знака. Поэтому для отклонения струи в противоположных направлениях требуется два симметрично расположенных по отношению к оси струи электрода, на которые с частотой f_r поочередно подаются потенциалы любого знака, образующие отклоняющее электрическое поле.

При этом амплитудное значение напряженности отклоняющего электрического поля ε_a, находится в пределах (1-1,5)•10⁴ В/см. Указанные верхний и нижний пределы определяются следующими факторами:
- при ε_a < 1•10⁴ В/см амплитуда вынужденных колебаний недостаточна для надежной синхронизации процесса формирования, вследствие чего может появиться разброс траекторий отдельных капель;
- при ε_a > 1,5•10⁴ В/см появляются капли нестандартных размеров.

При выполнении указанных условий после распада струи образуется поток капель одинакового диаметра D_s. Расстояние между каплями одинаково и равно длине капиллярной волны.

Длина капиллярной волны может быть определена, например, методом сверхскоростной (с экспозицией 10^-4 - 10^-5 с) фотосъемки.

Таким образом, рассматриваемый способ формирования с указанным значением резонансной частоты и амплитудного значения напряженности электрического поля позволяет получить поток капель заданных размеров с одинаковыми расстояниями между ними и постоянными траекториями, пригодных для последующей технологической обработки.

Пример реализации.

Предлагаемый способ был испытан на установке, предназначенной для диспергирования водного солевого раствора. Струя раствора истекала через стальной капилляр длиной 12 мм с диаметром отверстия 0,35 мм со скоростью 0,39 л/ч. Электрическое поле создавалось с помощью двух электродов из стальной проволоки диаметром 0,5 мм, расположенных симметрично по отношению к оси струи на расстоянии 1 мм от поверхности струи и на 1 мм от края выходного отверстия капилляра.

Напряжение на каждый из электродов подавалось через диоды, включенные в противоположных направлениях, от источника переменного напряжения с максимальной амплитудой, равной 1000 В. При указанных значениях скорости истечения раствора и диаметра отверстия капилляра частота резонансных колебаний равнялась 350 Гц. Поток состоял из капель, диаметр которых был одинаков и равен расчетному значению (0,66 мм).

При горизонтальном расположении сопла форсунки поток капель за счет гравитационных сил на расстоянии 100 мм от ее конца отклонялся вниз на 30 мм. При этом отклонение траекторий отдельных капель потока от среднего значения на указанном расстоянии не превосходило 1,5 мм.

Выход капель заданного диаметра был равен 98%, в то время как при отключении переменного электрического поля он был менее 20%.

Наибольший эффект от применения предлагаемого способа ожидается при его использовании в технологии производства кернов ядерных материалов для изготовления топлива для атомных реакторов.

На фиг. 1 в качестве иллюстрации предложенного способа формирования капель приведены фотокадры, полученные с помощью цифрового фотоаппарата с экспозицией менее 10^-4 с.

На кадре 1а показана часть нераспавшейся части струи и начальное пространственное распределение потока капель при отсутствии поперечного электрического поля. На поверхности струи видны капиллярные волны, длина которых равна расстоянию между максимумами утолщения струи.

На кадре 1б показано пространственное распределение капель на расстоянии 10 см от сопла при отсутствии электрического поля. Виден хаотичный характер пространственного распределения капель.

На кадре 1в показано полученное предложенным способом пространственное распределение потока капель на расстоянии 10 см от сопла при воздействии электрического поля с резонансной частотой f_r. Диаметры и траектории капель в потоке и расстояния между ними в этом случае одинаковы.

Изобретение относится к области изготовления сфероидов заданного размера из электропроводных растворов соответствующих веществ в разных отраслях промышленности, в том числе и атомной, где он может быть использован при изготовлении тепловыделяющих элементов для реакторов атомных электростанций. Задача изобретения заключается в создании потока капель заданного размера с одинаковыми траекториями и расстояниями между ними. Предлагаемый способ заключается в том, что нераспавшуюся часть струи раствора, истекающую из сопла, отклоняют в противоположных направлениях, перпендикулярных оси струи, с резонансной частотой f_r= V_s/2λ_к, где V_s - скорость струи; λ_к - длина капиллярной волны. При этом отклонение струи осуществляют локальным электрическим полем с амплитудным значением напряженности в пределах (1 - 1,5) • 10⁴ В/см, изменяющимся с частотой f_r с противоположных перпендикулярных ее оси направлений. В сформированном таким способом потоке капли имеют одинаковый диаметр, их траектории и расстояния между ними одинаковы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования монодисперсного потока капель из струи жидкости, истекающей из сопла, отличающийся тем, что прилегающий к соплу участок нераспавшейся части струи отклоняют в противоположных направлениях, перпендикулярных оси струи, с резонансной частотой f_r= V_S/2λ_к, где V_S - скорость истечения жидкости; λ_к - длина капиллярной волны. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонение нераспавшейся части струи осуществляют, поочередно прилагая локальное электрическое поле, изменяющееся с частотой f_r, с амплитудным значением напряженности в пределах (1 - 1,5) • 10⁴ В/см с противоположных перпендикулярных ее оси направлений.