СПОСОБ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК B05B1/00 B05B1/14 

Область техники
Изобретение относится к технике распыления жидкости, в частности к усовершенствованной технике распределения жидкости в потоке газа, а именно к технике распределения регулируемого потока жидкости в потоке газа с переменными физико-химическими характеристиками, используемой в химической, пищевой, энергетической и других отраслях промышленности.

Предшествующий уровень техники
Многие технологические процессы в различных областях промышленности на одном из этапов предполагают осуществление контакта жидкости и газа. Такой контакт осуществляется, в частности, путем распределения жидкости в потоке газа. Очевидно, что процесс взаимодействия жидкости и газа будет наиболее эффективным тогда, когда площадь их контакта будет наибольшей. Следовательно, одним из оптимальных методов проведения такого процесса можно считать распределение в потоке газа жидкости в виде мелкодисперсного распыла. Широкое применение в промышленности получил метод распыления жидкости, при котором ее струи различной конфигурации пересекаются между собой с образованием облака мелкодисперсного распыла.

Известно техническое решение (Заявка ФРГ N OS 3440901), согласно которому основной поток жидкости разделяют на несколько и при помощи завихрителей выпускают их в виде конусов под углом друг к другу, обеспечивающим их пересечение в области боковых поверхностей. Таким образом осуществляется дробление водяных струй одна другой с образованием в зоне распределения облака тонкого распыла воды. Однако для осуществления такого распыления применяется сложное устройство, содержащее строго определенное количество организованных заданным образом завихрителей. Конструктивные особенности устройства ограничивают сферу его применения и делают непригодным для распределения, например, загрязненных жидкостей или жидкостей с механическими примесями. Кроме того, зафиксированные завихрители, количество которых не может быть увеличено или уменьшено, предполагают образование облака определенного размера, которое не может быть увеличено или уменьшено. Между тем в промышленности, как правило, имеет место периодическое изменение физико-химических характеристик потока газа, например, его скорости, запыленности или кислотности. В этом случае для соблюдения технологии осуществления контакта жидкости и газа в целом необходимо регулирование количества распыляемой жидкости без изменения качественных характеристик получаемого облака распыла. Применение данного известного технического решения делает такое регулирование невозможным.

Известно также техническое решение (Патент США N 5180103), согласно которому поток жидкости разделяют на несколько, оформляют их в виде тонких пленок жидкости, организованных в пространстве таким образом, что каждая из них пересекается c соседними несколько раз. При этом достигают полного дробления тонких пленок жидкости на отдельные капли примерно равного размера и их равномерного распределения в заданном пространстве. Однако данное техническое решение предполагает образование первоначальных плоских стабильных низкоэнергетичных пленок жидкости, которые при неоднократном сталкивании распадаются на отдельные капли, но не распыляются с образованием мелкодисперсного облака распыла.

Кроме того, данное техническое решение предусматривает использование сложной конструкции с форсунками особой формы, не предназначенной для регулирования количества распределяемой жидкости, дорогой и сложной в эксплуатации.

Известно также техническое решение (Патент РФ N 2050203), согласно которому поток жидкости разделяют на два и сталкивают их друг с другом, направляя при этом встречно в виде закрученных в противоположных направлениях тонких конусообразных пленок. Вращаясь с большой радиальной составляющей скорости, оформленные таким образом встречные потоки жидкости при столкновении имеют большой угол удара, что приводит к образованию облака мелкодисперсного распыла.

Этот способ распыления жидкости осуществляют при помощи устройства, представляющего собой две соосно установленные камеры с днищами и обращенными друг к другу выходными участками, подвод жидкости к которым осуществляют тангенциально. Однако конусообразные пленки жидкости согласно данному техническому решению формируются с участием конусных сопел, которыми оформлены выходные участки камер. Трение жидкости о сопло уменьшает радиальную составляющую скорости получаемой пленки жидкости и в итоге снижает дисперсность распыла. Кроме того, подача жидкости ко второй камере предусмотрена через проходящий сквозь сопло первой камеры патрубок, что вызывает необходимость увеличения размеров сопел камер, снижает потенциальные возможности создания высоких выходных скоростей при малом давлении подаваемой жидкости и, таким образом, снижает область применения устройства. Следует также отметить, что данное техническое решение не только не предполагает регулирование количества распыляемой жидкости, но и не предусматривает сохранение качественных характеристик получаемого облака распыла при неизбежных технологических колебаниях давления жидкости, поступающей в камеры. Колебания давления жидкости вызывают изменения выходной скорости жидкости, а поскольку зона сталкивания двух конусообразных пленок жидкости стабилизирована конусными соплами для полного распыления жидкости лишь при определенных параметрах потока жидкости, то их изменения приводят к проскальзыванию или скольжению отдельных струй жидкости, не подвергшихся распылению, и, следовательно, к снижению дисперсности получаемого облака распыла.

Исходя из всего вышесказанного, настоящее изобретение должно решить задачу осуществления распыления переменного объема подаваемой на распыление жидкости с образованием однородного мелкодисперсного облака распыла и создания предназначенного для этого устройства, конструктивное решение которого позволило бы регулировать количество распыляемой жидкости в широких пределах.

Сущность изобретения
Для решения поставленной задачи согласно настоящему изобретению предлагается способ распыления жидкости, в соответствии с которым подлежащий распылению поток жидкости разделяют на парное число отдельных потоков так, чтобы их было не менее четырех. Эти потоки попарно подводят друг к другу встречно в виде закрученных в противоположных направлениях тонких конусообразных пленок жидкости, при этом образуются по меньшей мере две пары смежных встречно направленных потоков, которые располагают последовательно на одной оси. Оформленные таким образом потоки жидкости сталкивают, причем по меньшей мере два из них после сталкивания со смежным потоком вторично сталкивают между собой. В результате такого взаимодействия отдельных потоков жидкости образуется мелкодисперсное облако распыла жидкости.

Далее согласно настоящему изобретению выходные скорости потоков, смежных с крайними из последовательно расположенных на одной оси попарно встречно направленных потоков жидкости ниже, чем выходные скорости других потоков жидкости. Эта корректировка выходных скоростей отдельных потоков позволяет обеспечить однородность мелкодисперсного облака распыла, в котором фактически отсутствуют нераспыленные крупные капли.

Далее согласно настоящему изобретению в случае распыления жидкости при взаимодействии по меньшей мере трех пар смежных встречно направленных потоков, по меньшей мере два из них сталкивают с другими потоками многократно. Такая схема взаимодействия отдельных потоков дает возможность получать форму облака распыла в соответствии с технологическими нуждами.

Также для решения поставленной задачи согласно настоящему изобретению предлагается устройство для осуществления указанного способа распыления жидкости, представляющее собой по меньшей мере две пары соосно установленных центробежных распылителей, которые зафиксированы последовательно на одной оси. Распылители соединены тангенциально с патрубками для подвода жидкости, а их выходные участки в каждой паре обращены навстречу друг другу и представляют собой короткие сопла. Расстояние между соплами зависит от выходной скорости каждого из встречно направленных потоков жидкости и от параметров самих распылителей и подводящих патрубков.

Это расстояние применительно к особенностям технологического процесса определяется по следующей формуле:

где W - выходная скорость жидкости из сопла, м/с, D - диаметр камеры распылителя, м, d - эквивалентный диаметр подводящего патрубка.

Далее согласно настоящему изобретению предусмотрено, что применяемые в устройстве центробежные распылители выполняются с двумя противоположно направленными соплами и двумя автономными подводящими патрубками. Такая конструкция центробежных распределителей в отдельных случаях позволяет упростить устройство в целом.

Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается снабдить устройство блоком автоматической регулировки подачи жидкости как в каждый из центробежных распылителей, так и в каждую из последовательно расположенных на одной оси пару таких центробежных распылителей. Такой блок автоматики позволяет изменять форму и размеры облака распыла жидкости без изменения качественных характеристик распыла.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема распыления жидкости согласно изобретению.

На фиг. 2 представлена схема взаимодействия отдельных потоков распыляемой жидкости согласно изобретению.

На фиг. 3 представлена схема устройства для распыления жидкости согласно изобретению.

На фиг. 4 представлена схема отдельного элемента устройства для распыления жидкости согласно изобретению.

На фиг. 5 представлен график зависимости расстояния между соплами парных центробежных распылителей в отдельном элементе устройства согласно изобретению.

На фиг. 6 представлена схема устройства согласно изобретению, в котором использованы центробежные распылители с двумя противоположно направленными соплами и двумя автономными подводящими патрубками.

На фиг. 7 представлена схема устройства согласно изобретению, оснащенного блоком автоматического регулирования.

Описание предпочтительного использования изобретения
Как показано на фиг. 1, способ распыления жидкости согласно изобретению заключается в разделении основного потока жидкости 1 на четыре отдельных потока и их попарное подведение в расположенные последовательно на одной оси парные устройства 2' и 2'', которые преобразуют их в закрученные в противоположных направлениях тонкие конусообразные пленки 3', 3'', 3''' и 3'''', направляют их встречно друг к другу и сталкивают, вызывая распыление жидкости. При этом крайние из последовательно расположенных на одной оси оформленных таким образом потоков 3' и 3'''', после сталкивания со смежными потоками 3'' и 3''' соответственно сталкивают между собой вторично. В результате подвергаются распылению отдельные струи потоков 3' и 3'''', которые не подверглись распылению при сталкивании со смежными потоками 3'' и 3''' соответственно.

Потоки 3'' и 3''' после сталкивания со смежными, крайними из последовательно расположенных на одной оси потоками 3' и 3'''', в отличие от последних не могут столкнуться вторично с другими потоками. Чтобы избежать неполного распыления жидкости из этих потоков, их выходная скорость снижена и объем подаваемой на распыление через эти потоки жидкости соответственно уменьшен.

В зоне взаимодействия организованных по такой схеме потоков жидкости образуется мелкодисперсное облако распыленной жидкости высокой степени однородности, ограниченное зоной A. Разница размеров капелек при этом составляет не более 20%.

Как показано на фиг. 2, в случае взаимодействия более двух пар смежных встречно направленных потоков 3 часть из них при соответствующей коррекции их выходных скоростей и объемов подаваемой на распыление через эти потоки жидкости можно сталкивать с другими потоками многократно. В этом случае облако распыленной жидкости, ограниченное зоной A, может распространяться на довольно значительное расстояние от парных устройств 2, организующих отдельные потоки 3 жидкости в соответствии с предлагаемой согласно изобретению схемой. Коррекция выходных скоростей потоков 3 и количества жидкости в них позволяет в случае технической необходимости уменьшать объем распыленной жидкости и ограничить его зоной B. Размеры зоны B задаются местами вторичного пересечения b потоков 3. Изменений качественных характеристик получаемого облака распыла при этом не происходит.

Как показано на фиг. 3, устройство для осуществления предложенного согласно изобретению способа состоит из расположенных последовательно на одной оси пар соосно установленных центробежных распылителей 2, выходные участки которых представляют собой короткие сопла 4 и обращены навстречу друг другу. Центробежные распылители 2 тангенциально соединены с подводящими патрубками 5, которые подключаются к общей системе подачи жидкости 6.

Устройство работает следующим образом. Жидкость из системы подачи жидкости 6 через подводящие патрубки 5 поступает в центробежные распылители 2, которые направляют их попарно встречно через короткие сопла 4, преобразующие потоки жидкости в закрученные в противоположных направлениях тонкие конусообразные пленки жидкости. Полученные пленки жидкости при этом сталкивают заданное число раз в соответствии с технологической задачей, получая облако высокодисперсного распыла. Короткие сопла 4 центробежных распылителей 2 позволяют менять угол раскрытия конусообразных пленок жидкости в пределах 85-110 без ущерба для степени дисперсности распыла. Таким образом неизбежные технологические колебания давления жидкости в системе подачи жидкости 6 не оказывают влияния на процесс распыления жидкости согласно предлагаемому изобретению.

Расстояние между соплами в каждой паре распылителей определяет место сталкивания двух смежных встречно направленных потоков, которые преобразовываются в центробежных распылителях в закрученные в противоположных направлениях тонкие конусообразные пленки жидкости. Это место сталкивания непосредственно влияет на качественные характеристики получаемого облака распыла и определялось экспериментальным путем. В результате практических исследований была установлена зависимость расстояния между соплами от выходной скорости жидкости, диаметра камеры распылителя и эквивалентного диаметра подводящего патрубка.

Как показано на фиг. 4, H - расстояние между соплами центробежных распылителей 2, D - диаметр камеры распылителя 2, d - эквивалентный диаметр подводящего патрубка 5 распылителя 2.

Как показано на фиг. 5, величина H представляет собой функцию от соотношения Wd/S, где W - выходная скорость жидкости, D - диаметр камеры распылителя, a d - эквивалентный диаметр подводящего патрубка распылителя

Пример расчета величины H
В промышленной градирне давление в системе водоснабжения составляет в среднем 0,7 атм. При подключении к этой системе устройства, состоящего из двух пар центробежных распылителей, расход воды на него будет составлять 60 м/ч или 15 м/ч на один центробежный распределитель. В таких условиях выходная скорость жидкости W составляет 4.6 м/с. Если в устройстве используются центробежные распылители с диаметром камеры D = 195 мм и эквивалентным диаметром подводящего патрубка d = 50.5 мм, то значение соотношения Wd/D соответственно будет составлять 1.2. В этом случае, как показано на фиг. 5, величина H будет равна 230 мм. Следовательно, в данном устройстве центробежные распылители каждой пары должны быть установлены с расстоянием между соплами 230 мм.

Как показано на фиг. 6, в устройстве для осуществления предложенного согласно изобретению способа устанавливаются центробежные распылители 2' с двумя противоположно направленными соплами 4 и двумя автономными подводящими патрубками 5. Один такой распылитель 2' заменяет два обычных центробежных распылителя с одним подводящим патрубком, установленных торцами друг к другу. Эти конструктивные особенности позволяют в некоторых случаях расширить диапазон промышленной применимости устройства и облегчить конструкцию в целом.

Как показано на фиг. 7, соосно установленные пары центробежных распределителей 2, из которых согласно изобретению состоит устройство, подключены к общей системе подачи жидкости V. Каждая такая пара центробежных распределителей 2 подсоединена к блоку Q автоматической регулировки по расходу жидкости, что позволяет при изменении условий технологического процесса изменять количество подаваемой на распыление жидкости включая или отключая часть парных центробежных распылителей и не изменять при этом качественных характеристик облака распыла. Каждый из парных центробежных распылителей автономно подсоединен также к блоку P автоматического регулирования по давлению жидкости. Этот блок P позволяет производить коррекцию выходных скоростей каждого из потоков жидкости, принимающего участие в распылении. Работа блока Q и блока P координируется общим блоком QP автоматического регулирования процесса распыления жидкости, который предназначен для управления формой и размерами облака распыла в соответствии с изменениями технологических условий.

Предлагаемое согласно изобретению устройство может быть использовано в качестве отдельных модулей, варианты комбинирования которых между собой в конкретных аппаратах практически не ограничены и позволяют организовать процесс распыления жидкости в широком диапазоне технологических условий.

Промышленная применимость
Техническое решение согласно изобретению может применяться в химической, пищевой, энергетической или металлургической отраслях промышленности в аппаратах, предназначенных для проведения тепломассообменных процессов, таких как нагрев или охлаждение жидкости, конденсация низкопотенциальных паров, мокрая очистка газов от химических и механических примесей.

Способ распыления жидкости заключается в попарном сталкивании встречно направленных потоков жидкости в виде закрученных в противоположных направлениях тонких конусообразных пленок таким образом, что после сталкивания со смежными парными потоками каждый из них сталкивается с другими потоками неоднократно с образованием мелкодисперсного облака распыла. Для осуществления способа распыления жидкости предложено устройство, содержащее по меньшей мере две последовательно расположенные на одной оси пары соосно установленных центробежных распылителей, обращенных выходными отверстиями навстречу друг другу. Форма мелкодисперсного облака регулируется блоком автоматического регулирования по количеству жидкости и по ее давлению. В изобретении обеспечиваются распыление переменного объема подаваемой жидкости с образованием однородного мелкодисперсного объема распыла и регулирование количества распыляемой жидкости в широких пределах. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ распыления жидкости, включающий разделение ее на отдельные потоки, попарное подведение их друг к другу встречно в виде закрученных в противоположных направлениях тонких конусообразных пленок и последующее сталкивание, отличающийся тем, что распыление жидкости осуществляют при взаимодействии по меньшей мере четырех потоков жидкости, образующих по меньшей мере две расположенные на одной оси пары смежных встречно направленных потоков, по меньшей мере два из которых после сталкивания со смежным потоком вторично сталкивают между собой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выходная скорость потоков, смежных с крайним из последовательно расположенных на одной оси попарно встречно направленных потоков жидкости, ниже, чем выходная скорость смежных с ними потоков жидкости. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что распыление жидкости осуществляют при взаимодействии по меньшей мере трех пар смежных встречно направленных потоков, по меньшей мере два из которых многократно сталкивают с другими потоками. 4. Устройство для распыления жидкости, содержащее парные соосно установленные центробежные распылители, обращенные выходными участками навстречу друг другу и тангенциально соединенные с подводящими патрубками, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере две последовательно расположенные на одной оси пары центробежных распылителей, выходные участки которых представляют собой короткие сопла, а расстояние между соплами определяется по следующей формуле

где W - выходная скорость жидкости, м/с;
d - диаметр сопла распылителя, м;
D - диаметр камеры распылителя, м. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что центробежные распылители выполнены с двумя противоположно направленными соплами и двумя автономными подводящими патрубками. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно имеет блок автоматического регулирования подачи жидкости в каждый из центробежных распылителей и в каждую из последовательно расположенных на одной оси пару центробежных распылителей.