СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ МОНОДИСПЕРСНОГО АЭРОЗОЛЬНОГО ОБЛАКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК B05B17/00 B05B7/12 B05B7/28 

Изобретение относится к способам распыления жидкости в технологических процессах, требующих высокого качества распыления, например в сельском и лесном хозяйствах для диспергирования и нанесения ядохимикатов или других физиологически активных веществ, в том числе биопрепаратов (бактериальных и вирусных), на растения для защиты их от болезней и вредных насекомых способами, щадящими окружающую среду.

Известен способ образования аэрозольного облака путем подачи жидкости в акустическую форсунку, диспергирования ее и выноса в виде аэрозоли в атмосферу для формирования облака струей воздуха из сверхзвукового сопла [1].

Устройство для осуществления этого способа содержит сопло, насос, нагнетатель, акустическую форсунку, регулятор расхода и компрессор [1]. Осуществление рабочего процесса происходит следующим образом. В акустическую форсунку подается жидкость и сжатый воздух из компрессора, жидкость в форсунке дробится в сверхзвуковой струе воздуха, пульсирующей со ультразвуковой частотой. Предварительно распыленная жидкость впрыскивается в сверхзвуковую струю распыливающего агента (воздух) на выходе сопла, в которое агент подается из нагнетателя. Струя агента окончательно диспергирует жидкость и выносит образовавшуюся аэрозоль в атмосферу, формируя тем самым аэрозольное облако.

Однако у этого способа есть ряд недостатков:
Нет ограничения степени повышения давления воздуха в нагнетателе, поэтому, поскольку формула изобретения не противоречит этому, возможна степень повышения давления, равная 4-4,5 и более. При этом температура воздуха достигает величины 250^oC и более. Такая температура воздуха крайне негативно воздействует на биопрепараты при их распылении. При 250^oC возможно также испарение части жидкости с образованием частиц термомеханического аэрозоля с размерами частиц намного меньше, чем при распыливании воздухом. Следовательно, аэрозольное облако будет состоять из полидисперстных частиц, что ограничивает применение устройства. Поэтому это устройство (и способ) не может быть использовано для получения монодисперсного аэрозольного облака. При степени повышения давления 1,9-2,0 температура воздуха не превышает величины 100-120^oC, что, учитывая кратковременность процесса распыления, вполне приемлемо для биопрепаратов, и перепада давления достаточно для достижения звуковой и сверхзвуковой скорости истечения воздуха из сопла. Кроме того, 1,9-2,0 (π_к) рациональна с точки зрения минимальных энергетических затрат (топливо).

Не обеспечивается монодисперсность аэрозольного облака. Как показано в книге (см. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкости. - М. : Химия, 1984 [2]), отношение максимального к минимальному медианных диаметров капель в аэрозоли (степень полидисперсности аэрозоли) в зависимости от отношения массовых расходов воздуха и жидкости (10^-1 - 6) для акустических форсунок различных конструкций достигает величины 3-2. Медианные диаметры капель достигают величины 100-40 мкм - 40-10 мкм. Удельная энергия распыливающего воздуха из сопла при перепаде давления 1,9-2,0 позволяет диспергировать жидкость при пневматическом распылении только до величины медианных диаметров капель в 30-40 мкм, поэтому при впрыскивании предварительно распыленной в акустической форсунке жидкости в сверхзвуковую струю воздуха из сопла, что относится к пневматическому распыливанию, при малых относительных расходах жидкости все капли с размерами медианных диаметров от 40 мкм и выше дробятся в струе воздуха из сопла только до размеров 40-30 мкм. В образовавшемся полидисперсном аэрозольном облаке, таким образом, капли имеют размеры 40-10 мкм. Степень полидисперсности аэрозоли достигает величины 4-3, что для некоторых видов обработки растений неприемлемо. При больших относительных расходах жидкости медианный диаметр капель аэрозоли, получаемой в форсунке, растет, степень полидисперсности остается по-прежнему высокой. Пневматическое распыливание в струе воздуха из сопла не устраняет полидисперсность. Аэрозольное облако по-прежнему остается некоторой совокупностью частиц различных размеров. Значительное увеличение относительного массового расхода сжатого воздуха в акустической форсунке для более тонкого диспергирования при значительных расходах жидкости незначительно увеличивает дисперсность, что неприемлемо, поскольку противоречит основной идее способа: при незначительных энергетических затратах предварительно диспергировать жидкость в акустической форсунке и подать ее в поток воздуха с мощным расходом и энергетикой, необходимыми для обеспечения достаточной величины выноса аэрозоли в атмосферу для формирования облака. Эти доказательства подтверждаются практикой применения данного способа и устройства. Полидисперсность не устраивает практиков - легкие частицы "травят лес", а крупные оседают около агрегата, выжигая посевы.

Не используется в процессе диспергирования потенциальная энергия жидкости, полученная ею в насосе. При малых расходах жидкости все давление ее, полученное в насосе, срабатывается в регуляторе расхода, скорость истечения струи жидкости в акустическую форсунку поэтому столь незначительна, что не представляется возможным каким-либо известным способом, дополнительно к акустическому способу, диспергировать жидкость в форсунке.

Наиболее близким к изобретению в части способа по технической сущности и достигаемому результату является способ образования аэрозольного облака путем подачи жидкости в акустическую форсунку, диспергирования ее и выноса в виде аэрозоли в атмосферу для формирования облака струей воздуха из сверхзвукового сопла, при этом в жидкости перед подачей ее в форсунку растворяют сжатый воздух, давление которого регулируют в соответствии с заранее заданной настройкой и в зависимости от давления жидкости, а степень повышения давления воздуха для формирования аэрозольного облака выбирают равной 1,9-2,0 [3] . Наиболее близким к изобретению в части устройства по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования аэрозольного облака, содержащее сопло, нагнетатель, насос, акустическую форсунку, регулятор расхода, компрессор и снабжено аэратором, расположенным перед акустической форсункой по ходу движения жидкости, и регулятором давления для воздуха, подаваемого в аэратор [3].

Осуществление рабочего процесса происходит следующим образом. В акустическую форсунку подается жидкость и сжатый воздух из компрессора, жидкость в форсунке дробится в сверхзвуковой струе воздуха, пульсирующей с ультразвуковой частотой. При увеличении расхода жидкости, определяемого регулятором расхода, может вырасти медианный диаметр капель аэрозоли, образующейся в форсунке, но также растет и давление жидкости перед форсункой, то есть в аэраторе. Регулятор давления воздуха согласно с заранее заданной настройкой и в зависимости от давления жидкости увеличивает давление воздуха подаваемого в аэратор, количество воздуха, растворяющегося в жидкости, увеличивается, при выходе жидкости в форсунку растворяемость воздуха резко падает, поскольку давление в жидкости резко снижается, выделяющийся воздух в виде пузырьков предварительно дробит жидкость, дополнительно к дроблению в сверхзвуковой струе сжатого воздуха, и тем самым стабилизирует уровень дисперсности образующейся аэрозоли в заранее заданных пределах в зависимости от расхода жидкости. Аэрозоль из форсунки впрыскивается в струю воздуха из сверхзвукового сопла дополнительно диспергируется струей воздуха и выносится струей в атмосферу, где формируется аэрозольное облако. При снижении расхода жидкости процесс стабилизации уровня дисперсности аэрозоля происходит таким же образом, но наоборот.

Однако у этого способа есть ряд недостатков:
Не обеспечивается монодисперсность аэрозольного облака. Степень полидисперсности аэрозольного облака, как показано при рассмотрении предыдущего способа [1] , может достигать величины 3-4 и определяется способом предварительного распыления - акустическим и окончательного - пневматическим. Предварительное растворение воздуха в жидкости перед форсункой не снижает степень полидисперсности, поскольку очевидно, что минимальные размеры медианных диаметров капель аэрозоли определяются потенциалами удельной энергии акустического и пневматического процессов, а предварительное воздухонасыщение жидкости перед форсункой, также очевидно, может влиять только на размеры самых максимальных медианных диаметров капель аэрозоли при увеличении расхода жидкости, поскольку растворимость воздуха в жидкости при температуре и давлении, принятых в практике распыливания, весьма незначительна и достигает 1-3% по объему. Поэтому предварительное газонасыщение жидкости может обеспечить стабилизацию уровня дисперсности аэрозоли при изменении расхода жидкости, но никоим образом снижение степени полидисперсности.

Не используется потенциальная энергия жидкости, полученная ею в насосе, для дополнительного воздействия на процесс диспергирования в акустическом и пневматическом процессах, поскольку давление жидкости срабатывается (особенно при малых расходах почти полностью) в регуляторе расхода и на разгон жидкости при поступлении ее в форсунку практически не остается энергии.

Технической задачей данного изобретения является получение монодисперсного аэрозольного облака в широком диапазоне расхода жидкости и дисперсности аэрозоли при достаточной дальнобойности струи воздуха из сопла.

Техническая задача решается за счет того, что по способу образования монодисперсного аэрозольного облака путем подачи жидкости в акустическую форсунку, диспергирования ее и выноса в виде аэрозоли в атмосферу для формирования облака струей воздуха, со степенью повышения давления 1,9-2,0, из сверхзвукового сопла согласно изобретению расход жидкости регулируется в самой форсунке, жидкость разгоняется через тангенциальные отверстия в регулирующей расход жидкости гильзе и струи ее подхватываются, разбиваются на капли, а капли разгоняются далее струями воздуха из полости сопла, выходящими со скоростью звука из тангенциальных отверстий этой же гильзы, разогнанные до значительных скоростей капли дробятся далее о струи воздуха, истекающего из полости сопла со звуковой скоростью из радиальных и осевых отверстий гильзы, выносятся центробежными силами из гильзы веером в поле ультразвуковых волн, генерируемых стержневым резонатором Гартмана, впрыскивается в струю воздуха из сверхзвукового сопла, причем резонатор Гартмана возбуждается струей воздуха из сверхзвукового сопла и связан резьбовым соединением с гильзой, служащим для перемещения гильзы при регулировании расхода жидкости, а гильза колеблется на упругом основании с ультразвуковой частотой колебаний резонатора Гартмана.

Кроме того, техническая задача решается за счет того, что устройство образования монодисперсного аэрозольного облака, содержащее сверхзвуковое сопло, сообщенное с нагнетателем, подающим распыливающий агент (воздух), и закрепленную на нем форсунку, сообщенную с насосом, подающим технологическую жидкость, состоящую из цилиндрического корпуса, заглушенного с одного конца, согласно изобретению содержит размещенную в корпусе подвижную в осевом направлении и зафиксированную от проворота цилиндрическую гильзу, также заглушенную с одного конца и приводимую в движение резьбовым соединением, включающим резьбовую часть гильзы в заглушенном конце и винт, закрепленный одним концом с возможностью вращения в заглушенном конце корпуса, другим концом выходящий за пределы гильзы и корпуса и оснащенный на этом конце резонатором Гартмана, гильза же сопрягается с гарантированным радиальным зазором с корпусом посредством упругих уплотнений, делящих пространство между гильзой и корпусом на полости: жидкостную, куда поступает технологическая жидкость непосредственно от насоса, и воздушную, куда поступает воздух из полости сопла, при этом жидкостная полость находится в крайнем дальним от выхода из гильзы месте, а воздушная полость расположена вслед за нею по ходу к выходу из гильзы, причем жидкостная полость соединяется с внутренней полостью гильзы тангенциальными отверстиями, которые при движении гильзы в сторону выхода могут переходить в воздушную полость, которая в свою очередь соединяется с внутренней полостью гильзы радиальными и осевыми отверстиями на гильзе на ее выходе.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где изображен общий вид и сечение устройства для образования монодисперсного аэрозольного облака: на фиг. 1 - общий вид, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Устройство содержит сопло 1, в которое подается воздух со степенью повышения давления 1,9-2,0 и разгоняется в конфузорной его части до горла до звуковой скорости, а далее в косом срезе до сверхзвуковой. В сопле 1 по оси на пилонах 2 закреплена акустическая форсунка 3, обращенная своим выходным торцом в ту же сторону, что и струя воздуха из сопла 1. Через патрубок 4 в форсунку 3 подается под давлением технологическая жидкость. Форсунка 3 состоит из полого, заглушенного с переднего торца корпуса 5, который закреплен в сопле 1 пилонами 2, в корпусе 5 установлена с возможностью осевого перемещения полая, заглушенная с переднего торца гильза 6, регулирующая расход жидкости через тангенциальные и наклоненные в сторону выхода из гильзы отверстия 7, расположенные в несколько рядов.

Гильза 6 сопрягается с корпусом 5 через три комбинированных уплотнения, состоящих из упругого эластичного кольца 8 из антифрикционной пластмассы типа композитов из фторполимеров и кольца 9 из резины, при этом между гильзой 6 и корпусом 5 обеспечивается гарантированный, достаточного размера зазор. Сопряжение гильзы 6 и корпуса 5 образует две полости: жидкостную 10, в которую поступает из патрубка 4 жидкость, и воздушную 11, в которую через отверстия 12 в корпусе 5 поступает из полости сопла 1 воздух. Для обеспечения поступления воздуха на корпусе 5 предусмотрен выступ 13.

На выходе из гильзы 6 запрессована втулка 14, образующая горло гильзы 6. В полость 15 втулки 14 через отверстия 16 поступает воздух из полости 11 и истекает из полости 15 через радиальные отверстия 17 в горло гильзы 6 и через осевые отверстия 18 на выход гильзы 6. В переднем торце гильзы 6 имеется резьбовая втулка 19, в которую с гарантированно нулевым зазором ввернут (с легким натягом), с возможностью вращательного движения, стержень 20, цилиндрический носок 21 которого спереди запасован в переднем торце корпуса 5 и зафиксирован от осевого перемещения стопорной шайбой 22.

На корпусе 5 напрессован спереди обтекатель 23. На другом конце стержня 20 навинчен резонатор Гартмана 24, законтренный контргайкой 25. При вращении стержня 20 за резонатор 24 гильза 6 за счет резьбового сопряжения стержня 20 и резьбовой втулки 19 перемещается по оси относительно корпуса 5. При этом она может переместиться из крайнего переднего положения, когда тангенциальные отверстия 7 все полностью находятся в жидкостной полости 10, в крайнее заднее положение, когда отверстия 7 все полностью находятся в воздушной полости 11.

В передней торцевой стенке 26 гильзы 6 запрессованы штыри 27, проходящие через соответствующие отверстия переднего торца корпуса 5 и служащие для компенсации реактивного момента при вращении стержня 20. Технологическая жидкость, поступающая под давлением через патрубок 4 в жидкостную полость 10, разгоняется в тангенциальных отверстиях 7, при этом полностью используется потенциальная энергия, полученная жидкостью от насоса, поскольку перед форсункой 3 не предусмотрен регулятор расхода жидкости, форсунка 3 сама является регулятором расхода жидкости. Крайнее переднее положение гильзы 6 определяет максимальный расход жидкости и нулевой воздуха, дробящего жидкость, и максимальный медианный диаметр капель аэрозоли.

Крайнее заднее положение гильзы 6 определяет минимальный (до нуля) расход жидкости и максимальный расход воздуха, и минимальный медианный диаметр капель аэрозоли. В промежуточном положении часть отверстий 7 оказываются в воздушной полости 11, часть в жидкостной полости 10, эти группы отверстий 7 разделены кольцом 8 среднего комбинированного уплотнения.

Соотношения количества отверстий 7 в разных полостях 10 и 11 определяют соотношение расхода жидкости и дробящего жидкость воздуха. Таким образом, перемещение гильзы 6 регулирует расход жидкости и воздуха. Жидкость из тангенциальных отверстий 7, находящихся в полости 10, по винтовой линии по внутренней поверхности гильзы 6 устремляется струями к выходу из гильзы 6. Воздух из полости 11 через тангенциальные отверстия 7, которые находятся в полости 11, разогнавшийся до скорости звука, поскольку в полости гильзы 6 давление равно статическому давлению на срезе сверхзвукового сопла 1, то есть атмосферному, а возможно и ниже за счет "донного эффекта", подхватывает, разбивает струи жидкости на капли и разгоняет их до значительной скорости. В горле гильзы 6 капли встречаются со струями воздуха из отверстий 17, истекающими со скоростью звука.

Скорость столкновения капель и воздуха в результате геометрического сложения скоростей капель и воздуха значительно больше звуковой. Происходит дополнительное дробление капель, которые, обладая значительной окружной скоростью, вылетают веером под действием центробежных сил с выхода гильзы 6. Струи воздуха из отверстий 18 со скоростью звука продолжают дробление капель уже в веере. Здесь скорость столкновения также значительно больше звуковой. Далее капли попадают изнутри в поле ультразвуковых волн, генерируемых резонатором Гартмана 24, который возбуждается струей воздуха из сопла 1.

Так как резонатор 24 через стержень 20 связан с гильзой 6, сидящей на упругих кольцах 8 и 9 комбинированных уплотнений, колебания резонатора 24 передаются гильзе 6, которая в свою очередь тоже колеблется с ультразвуковой частотой, колебания эти передаются жидкости, что повышает уровень поверхностной энергии жидкости, это способствует лучшему дроблению жидкости.

Капли жидкости, пройдя поле ультразвуковых волн, попадают в струю воздуха из сопла 1, дополнительно дробятся и выносятся струей воздуха в виде аэрозоли в атмосферу, формируя монодисперсное аэрозольное облако. При прохождении предварительно распыленной в струях воздуха в гильзе 6 из отверстий 7, 17 и 18 и центробежном раздроблении на выходе из гильзы 6 жидкости через поле ультразвуковых волн происходит ее предокончательное диспергирование. Окончательное в струе воздуха из сопла. Минимальный медианный диаметр капель аэрозоли определяется потенциалом удельной энергии поля ультразвуковых волн, а степень полидисперсности аэрозоля определяется временем нахождения капель аэрозоли в поле ультразвуковых волн.

В вышеописанных аналоге [1] и прототипе [3] расход сжатого воздуха, как известно из практики, незначителен и составляет 1,5-2% от расхода воздуха из сопла. Поэтому объем поля незначителен и крупные капли аэрозоли успевают его проскочить, не раздробившись. Окончательное диспергирование происходит в струе воздуха из сопла в процессе пневматического распыления которое, как показано выше, не может обеспечить монодисперсность аэрозоли.

В изобретении расход воздуха из сопла, участвующего в создании поля ультразвуковых волн, в 50-66 раз больше. Естественно, во столько же раз больше и объем поля и в раз больше путь, а соответственно и время в пути, который нужно пройти капле аэрозоли. За это время капли аэрозоли, медианный диаметр которых намного больше минимального медианного диаметра капель аэрозоли, успеют диспергироваться до минимального медианного диаметра.

Учитывая, что влияние мощности поля ультразвуковых волн на процесс распыления в 40 раз больше, чем влияние мощности аэродинамических сил в пневматическом распыливании, и струя воздуха из сопла не в состоянии значительно повлиять на дисперсность аэрозоли, можно сделать вывод, что применение изобретения позволит получить монодисперсное аэрозольное облако, для формирования которого струя воздуха из сопла выносит в атмосферу предварительно распыленную в акустической форсунке жидкость в виде аэрозоли.

Литература
1. SU, патент 1836163, кл. В 05 B 7/28, 1993.

2. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984.

3. SU, заявка N (21) 95103305/25, кл. В 05 B 17/00, 1995.

Изобретение относится к способам распыления жидкости в технологических процессах, требующих высокого качества распыления, например в сельском и лесном хозяйствах для диспергирования и нанесения ядохимикатов или других физиологически активных веществ, в том числе биопрепаратов (бактериальных и вирусных), на растения для защиты их от болезней и вредных насекомых способами, щадящими окружающую среду. Согласно способу образования монодисперсного аэрозольного облака расход жидкости регулируют в самой форсунке. Жидкость разгоняют через тангенциальные отверстия и струю ее подхватывают. Капли разгоняют струями воздуха со скоростью звука, дробят о струи воздуха со звуковой скоростью, выносят центробежными силами в поле ультразвуковых волн, впрыскивают в струю воздуха из сверхзвукового сопла. Устройство для образования монодисперсного аэрозольного облака содержит размещенную в корпусе подвижную в осевом направлении и зафиксированную от проворота цилиндрическую гильзу, заглушенную с одного конца и приводимую в движение резьбовым соединением. Пространство между гильзой и корпусом разделено на жидкостную и воздушную полости. Резонатор сидит на конце винта, выходящего из гильзы, другой конец которого закреплен с возможностью вращения в корпусе и находится в резьбовом сопряжении с гильзой, что служит для перемещения гильзы и тем самым для регулировки расхода жидкости. Колебания резонатора через винт и резьбовое соединение передаются на гильзу, которая, в свою очередь, колеблется с частотой колебаний резонатора, поскольку сопрягается с корпусом через упругие уплотнения и между ней и корпусом имеется гарантированный радиальный зазор. Колебания гильзы воздействуют на капли жидкости, уменьшая их поверхностную энергию и способствуя диспергированию. Применение на практике данных способа и устройства позволит получить монодисперсное аэрозольное облако с широким диапазоном дисперсности аэрозоля и расхода жидкости. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ образования монодисперсного аэрозольного облака путем подачи жидкости в акустическую форсунку, диспергирования ее и выноса в виде аэрозоли в атмосферу для формирования облака струей воздуха, со степенью повышения давления 1,9 - 2,0 из сверхзвукового сопла, отличающийся тем, что расход жидкости регулируют в самой форсунке, жидкость разгоняют через тангенциальные отверстия в регулирующей расход жидкости гильзе и струи ее подхватывают, разбивают на капли, а капли разгоняют далее струями воздуха из полости сопла, выходящего со скоростью звука из тангенциальных отверстий этой же гильзы, разогнанные до значительных скоростей капли дробят далее о струи воздуха, истекающего из полости сопла со звуковой скоростью из радиальных и осевых отверстий упомянутой гильзы, выносят центробежными силами из гильзы веером в поле ультразвуковых волн, генерируемых стержневым резонатором Гартмана, впрыскивают в струю воздуха из сверхзвукового сопла, причем резонатор Гартмана возбуждают струей воздуха из сверхзвукового сопла и связывают резьбовым соединением с гильзой, также служащим для перемещения гильзы при регулировании расхода жидкости, а гильзу колеблют на упругом основании с ультразвуковой частотой колебаний резонатора Гартмана. 2. Устройство для образования монодисперсного аэрозольного облака, содержащее сверхзвуковое сопло, сообщенное с нагнетателем, подающим распыливающий агент (воздух) и закрепленную на нем форсунку, сообщенную с насосом, подающим технологическую жидкость, состоящую из цилиндрического корпуса, заглушенного с одного конца, отличающееся тем, что оно содержит размещенную в корпусе подвижную в осевом направлении и зафиксированную от проворота цилиндрическую гильзу, также заглушенную с одного конца и приводимую в движение резьбовым соединением, включающим резьбовую часть гильзы в заглушенном конце и винт, закрепленный одним концом с возможностью вращения в заглушенном конце корпуса, другим концом выходящий за пределы гильзы и корпуса и оснащенный на этом конце резонатором Гартмана, гильза же сопряжена с гарантированным радиальным зазором с корпусом посредством упругих уплотнений, делящих пространство между гильзой и корпусом на полости: жидкостную, куда поступает технологическая жидкость непосредственно от насоса, и воздушную, куда поступает воздух из полости сопла, при этом жидкостная полость размещена в крайнем дальнем от выхода из гильзы месте, а воздушная полость расположена вслед за нею по ходу к выходу из гильзы, причем жидкостная полость соединена с внутренней полостью гильзы тангенциальными отверстиями, которые при движении гильзы в сторону выхода могут переходить в воздушную полость, которая, в свою очередь, соединена с внутренней полостью гильзы радиальными и осевыми отверстиями на гильзе на ее выходе.