УДАРНО-СТРУЙНАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2003 года по МПК B05B1/26 

Изобретение относится к распылительной технике, а именно к устройствам для тонкого диспергирования технологических жидкостей, и может быть использовано в аппаратах для обработки газов с целью их очистки в теплоэнергетической, строительной, химической и других отраслях промышленности, например в абсорберах, ректификационных колоннах, трубах Вентури и т. п.

Известна ударно-струйная форсунка, содержащая цилиндрический корпус с осевым каналом подачи жидкости, расположенными в торце корпуса симметрично по окружности четырьмя выпускными отверстиями с коническими насадками, поджимаемыми к корпусу пластиной, и закрепленный соосно с корпусом посредством цилиндрического хвостовика распылительный узел [А. С. СССР 1176960, кл. В 05 В 1/26, 1983].

К недостаткам данного устройства можно отнести возможность значительных деформаций конических насадок как при сборке, так и при эксплуатации ударно-струйной форсунки, и как следствие возможность несоосности выпускных отверстий в корпусе и отверстий в прижимающей пластине. При этом нарушается равномерность распределения жидкости по поверхности распылительного узла и сплошность факела распыла, что снижает надежность работы ударно-струйной форсунки и эффективность распыливания жидкости.

Известна также ударно-струйная распылительная форсунка, содержащая соединенный с несоосным напорным трубопроводом корпус сопла с соосно расположенной на трубопроводе бобышкой и закрепленным внутри нее цилиндрическим стержнем, на конце которого установлен конический направляющий элемент [А. С. СССР 1286255, кл. В 01 В 53/18, 1985].

К недостаткам данного устройства относится неравномерность кольцевой струи жидкости и проскоки газа без контакта с жидкостью, нарушение равномерности распыла жидкости и появление застойных зон, как следствие возможности несоосного закрепления цилиндрического хвостовика распылительного узла с помощью бобышки в корпусе сопла.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является ударно-струйная форсунка, использованная в качестве прототипа, содержащая корпус с внутренним осевым трехступенчатым каналом, первая ступень которого соединена с напорным трубопроводом, во второй ступени канала зафиксирован проходящий через третью ступень осевого канала цилиндрический хвостовик распылительного узла, выполненного в виде конусообразного направляющего элемента, сопряженного с тороидальным рабочим диском [А. С. СССР 685343, кл. В 05 В 1/26, 1978].

К недостаткам указанного устройства можно отнести невозможность получения достаточно малой толщины жидкостной пленки, так как диаметр цилиндрической внутренней поверхности третьей ступени осевого канала сопла больше примерно в три раза диаметра хвостовика распылительного узла, что приводит к получению пленки жидкости достаточно большой толщины (0,8-3,0 мм), требующей дополнительной эжекции встречного потока газа, что снижает эффективность работы ударно-струйной форсунки и приводит к дополнительным затратам энергии на распыливание жидкости.

Регулирование количества дополнительно эжектируемого в жидкость газа путем изменения величины кольцевого зазора между поверхностью днища тороидального рабочего диска и основанием конусообразного направляющего элемента осуществляется конструкцией, имеющей крепежный резьбовой узел в днище тороидального рабочего диска. Крепежный резьбовой узел не защищен от воздействия агрессивной окружающей среды и преждевременного разрушения, что снижает надежность конструкции в целом. Неравномерность эжекции газа, нарушение равномерности распыла жидкости и появление застойных зон при распыливании жидкости - это следствие несоосного закрепления конусообразного направляющего элемента и тороидального рабочего диска, а также нарушений равномерности кольцевого зазора между конусообразным направляющим элементом и тороидальным рабочим диском, появляющихся в процессе изготовления и эксплуатации ударно-струйной форсунки.

Перед разработчиками была поставлена задача: получить мелкодисперсный факел капель путем повышения степени диспергирования жидкости в ударно-струйной форсунке, уменьшить вероятности нарушений соосности составных частей в процессе изготовления и эксплуатации ударно-струйной форсунки, а также повысить надежность конструкции ударно-струйной форсунки путем защиты от агрессивной внешней среды крепежных резьбовых элементов.

Цель изобретения - повышение эффективности качества распыла и повышения надежности ударно-струйной форсунки.

Поставленная цель достигается тем, что ударно-струйная форсунка, содержащая корпус с внутренним осевым трехступенчатым каналом, первая ступень которого соединена с напорным трубопроводом, во второй ступени канала зафиксирован проходящий через третью ступень осевого канала цилиндрический хвостовик распылительного узла, выполненного в виде конусообразного направляющего элемента, связанного с тороидальным рабочим диском, отличается тем, что выход третьей ступени канала выполнен в виде кольцевого сопла, внутренняя поверхность которого сопряжена с наружной поверхностью вершины конусообразного направляющего элемента распылительного узла, а основание конусообразного направляющего элемента сопряжено с наружной поверхностью тороидального рабочего диска, диаметр которого составляет 5,5-6,0 величин диаметра выходного отверстия корпуса сопла, при этом конусообразный направляющий элемент распылительного узла выполнен в форме конуса с образующей псевдосферической поверхностью с радиусом сферы, составляющим две величины диаметра выходного отверстия корпуса сопла.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим:
Распыливание жидкости в виде тонкой пленки жидкости, с толщиной, равной 0,2 - 0,75 мм, осуществляется увеличением скорости течения пленки жидкости за счет конусности внутренней поверхности третьей ступени осевого канала корпуса ударно-струйной форсунки и псевдосферической формы поверхности конусообразного направляющего элемента распылительного узла, сопряженного с наружной тороидальной поверхностью рабочего диска. Такая форма поверхности позволяет уменьшить скорость течения пленки жидкости перед каплеобразованием при сохранении полезной составляющей энергии жидкости, расходуемой непосредственно на каплеобразование, то есть уменьшить потери энергии жидкости до начала процесса каплеобразования за счет исключения потерь энергии жидкости при набегании кольцевой струи жидкости на вершину конусообразного направляющего элемента распылительного узла, потерь энергии на дополнительную эжекцию встречного потока газа у основания конусообразного направляющего элемента распылительного узла и потерь энергии на преодоление разности высот между поверхностью днища и кромкой тороидального рабочего диска.

Оптимальный диаметр капель (величина дисперсности капель) определяется следующими геометрическими параметрами ударно-струйной форсунки. Входной диаметр конуса составляет 2,5d, где d - диаметр выходного отверстия корпуса сопла. Высота конусной части сопла выбрана равной 2,5d из условия неразрывности кольцевой струи, выходящей из сопла. Исходя из расхода и давления жидкости в напорном трубопроводе и диаметра хвостовика распылительного узла, равного d_xв, выбирается диаметр выходного отверстия корпуса сопла, равный d. В зависимости от полученных значений d_xв и d производится выбор геометрических параметров распылительного узла.

Диаметр основания конусообразного направляющего элемента составляет D= 4,5-5d. При D менее 4,5d не обеспечивается толщина пленки в зоне каплеобразования, равной 0,20-0,75 мм; при D более 5d происходит снижение скорости и увеличение толщины пленки жидкости и, следовательно, возрастает диаметр образующихся капель за счет увеличения потерь на трение жидкости о поверхность распылительного узла, имеющего радиус сферы R псевдосферической поверхности, равный R=2d, и радиус r кривизны наружной поверхности тороидального рабочего диска, равный r=0,5-0,6d, исходя из чего наружный диаметр тороидального рабочего диска составляет D_н = 5,5 - 6d.

На фиг. 1 изображена ударно-струйная форсунка; на фиг. 2 - разрез 1-1 ударно-струйной форсунки; на фиг. 3 - узел выхода сформированной кольцевой струи жидкости из ударно-струйной форсунки.

Ударно-струйная форсунка содержит корпус 1 с внутренним осевым трехступенчатым каналом, первая ступень которого соединена с напорным трубопроводом 2, во второй ступени канала зафиксирован проходящий через третью ступень осевого канала цилиндрический хвостовик 3 распылительного узла. Распылительный узел выполнен в виде конусообразного направляющего элемента 4 и сопряжен с тороидальным рабочим диском 5. Выход третьей ступени канала выполнен в виде кольцевого сопла 6 (см. фиг.3), внутренняя поверхность которого сопряжена с наружной поверхностью вершины 7 конусообразного направляющего элемента 4 распылительного узла. Основание 8 конусообразного направляющего элемента 4 сопряжено с наружной поверхностью тороидального рабочего диска 5, образуя зону каплеобразования. Диаметр диска 5 составляет 5,5-6,0d. Конусообразный направляющий элемент 4 распылительного узла выполнен в форме конуса с образующей псевдосферической поверхностью с радиусом сферы, составляющим 2d.

Фиксация цилиндрического хвостовика 3 в корпусе 1 производится с помощью закрепленного на свободном конце опорно-крепежного трехлучевого элемента 9, что уменьшает возможность несоосности распылительного узла и осевого канала ударно-струйной форсунки и повышает ее надежность
Резьбовое соединение распылительного узла с цилиндрическим хвостовиком 3 выполнено внутри цилиндрического хвостовика 3 для повышения стойкости ударно-струйной форсунки к окружающей агрессивной среде, что повышает надежность предлагаемого устройства.

В целях исключения самопроизвольного скручивания корпуса 1 ударно-струйной форсунки с напорного трубопровода 2 на резьбовой части напорного трубопровода установлена контргайка 10, что повышает надежность работы предлагаемого устройства.

Кроме того, корпус 1 (см. фиг.2) в нижней части выполнен в форме шестигранной гайки для навинчивания с помощью гаечного ключа ударно-струйной форсунки на напорный трубопровод 2.

Ударно-струйная форсунка работает следующим образом.

По напорному трубопроводу 2 подают жидкость во внутренний осевой трехступенчатый канал корпуса 1, во второй ступени жидкость, равномерно распределяясь вокруг цилиндрического хвостовика 3, поступает в третью ступень с конусной внутренней поверхностью, и, ускорясь за счет конусности поверхности третьей ступени, проходит через кольцевую щель 6, образуя кольцевую струю жидкости одинаковой плотности и толщины, набегает на вершину 7 конусообразного направляющего элемента 4.

Текущая по поверхности распылительного узла кольцевая струя жидкости образует тонкую жидкостную пленку. С увеличением площади поверхности растекания пленки жидкости по конусообразному направляющему элементу 4 распылительного узла происходит уменьшение толщины пленки жидкости. Перед основанием конусообразного направляющего элемента 4 распылительного узла толщина пленки жидкости достигает минимальной величины, равной 0,2-0,75 мм. Далее происходит снижение скорости пленки, возрастают силы инерции, начинается процесс каплеобразования, на наружной поверхности торообразного рабочего диска 5 происходит равномерное отделение капель от жидкостной пленки, вплоть до полного разрушения жидкостной пленки на капли, и образуется мелкодисперсный факел распыла.

Таким образом обеспечиваются условия для более тонкого и равномерного диспергирования, повышается эффективность работы предлагаемого устройства. Использование трехлучевого опорно-крепежного элемента для крепления свободного конца хвостовика распылительного узла уменьшает возможность несоосности распылительного узла и осевого канала ударно-струйной форсунки и повышает ее надежность. Защита резьбовых соединений от воздействия окружающей агрессивной среды и исключение самопроизвольного скручивания корпуса форсунки с напорного трубопровода также повышает надежность предлагаемого устройства.

Изобретение относится к распылительной технике, а именно к устройствам для тонкого диспергирования технологических жидкостей, и может быть использовано в аппаратах для обработки газов с целью их очистки в теплоэнергетической, строительной, химической и других отраслях промышленности, например в абсорберах, ректификационных колоннах, трубах Вентури и т.п. Задачей изобретения является повышение эффективности качества распыла и надежности ударно-струйной форсунки. Поставленная задача достигается тем, что ударно-струйная форсунка, содержащая корпус с внутренним осевым трехступенчатым каналом, первая ступень которого соединена с напорным трубопроводом, во второй ступени канала зафиксирован проходящий через третью ступень осевого канала цилиндрический хвостовик распылительного узла, выполненного в виде конусообразного направляющего элемента, связанного с тороидальным рабочим диском. Выход третьей ступени канала выполнен в виде кольцевого сопла, внутренняя поверхность которого сопряжена с наружной поверхностью вершины конусообразного направляющего элемента распылительного узла. Основание конусообразного направляющего элемента сопряжено с наружной поверхностью тороидального рабочего диска, диаметр которого составляет 5,5-6,0 величин диаметра выходного отверстия корпуса сопла. Конусообразный направляющий элемент распылительного узла выполнен в форме конуса с образующей псевдосферической поверхностью с радиусом сферы, составляющим две величины диаметра выходного отверстия корпуса сопла. Техническим результатом изобретения является обеспечение условий для более тонкого и равномерного диспергирования, уменьшение возможности несоосности распылительного узла и осевого канала форсунки, что повышает ее надежность. Защита резьбовых соединений от воздействия окружающей агрессивной среды и исключение самопроизвольного скручивания корпуса форсунки с напорного трубопровода также повышает надежность устройства. 3 ил.

Ударно-струйная форсунка, содержащая корпус с внутренним осевым трехступенчатым каналом, первая ступень которого соединена с напорным трубопроводом, во второй ступени канала зафиксирован проходящий через третью ступень осевого канала хвостовик распылительного узла, выполненного в виде конусообразного направляющего элемента, связанного с тороидальным рабочим диском, отличающаяся тем, что выход третьей ступени канала выполнен в виде кольцевого сопла, внутренняя поверхность которого сопряжена с наружной поверхностью вершины конусообразного направляющего элемента распылительного узла, а основание конусообразного направляющего элемента сопряжено с наружной поверхностью тороидального рабочего диска, диаметр которого составляет 5,5 - 6,0 величин диаметра выходного отверстия корпуса сопла, при этом конусообразный направляющий элемент распылительного узла выполнен в форме конуса с образующей псевдосферической поверхностью с радиусом сферы, составляющим две величины диаметра выходного отверстия корпуса сопла.