СПОСОБ СОЗДАНИЯ ГАЗОКАПЕЛЬНОЙ СТРУИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ВЫПОЛНЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B05B7/00 

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения высококонцентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель. Такие струи могут использоваться в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива и других отраслях, где необходимы мелкодисперсные и дальнобойные газокапельные струи.

Известны методы создания жидкостных струй, одни из которых обеспечивают дальнобойность за счет увеличения давления в системе подачи жидкости, а другие - за счет подачи потока газа в сопло установки.

Известен способ создания газокапельной струи, включающий использование эжектирующего действия газовой струи, подаваемой в газоструйный насадок сопла, для разгона жидкости и увеличения дальности полета струи (а.с. СССР №380279, кл. A 01 G 25/00, 1973).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (Патент РФ №2107554, кл. А 62 С 31/02, 1998).

Недостатком известного способа является ограниченный характер используемых путей формирования двухфазного потока, снижающих эффективность газокапельной струи, в частности потери кинетической энергии жидкости при формировании дисперсного потока газокапельной структуры.

Известно устройство - распылитель жидкости, включающее систему подачи жидкости, который состоит из последовательно сопряженных и соосных друг другу входного участка в форме конического конфузора, цилиндрического участка и выходного участка в форме конического диффузора (см. Патент РФ №2184619, кл. В 05 В 1/00, 2001 г.).

Недостатком известной конструкции является зависимость ее работы от параметров потока, определяющих возникновение режима кавитации, обеспечивающего дробление жидкости и получение газокапельного потока.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является устройство для создания газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло (Патент РФ №2107554, кл. А 62 С 31/02, 1998).

Недостатками этого способа являются потери кинетической энергии жидкости или большие ее затраты на образование газокапельного потока.

Задачей, решаемой предлагаемой группой изобретений, является обеспечение формирования газокапельного двухфазного потока способом, позволяющим повысить эффективность работы устройства за счет более рационального использования энергии жидкости и гарантированного способа диспергирования двухфазного пузырькового газожидкостного потока.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа создания газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, в котором согласно изобретению жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно, предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры путем подачи части газа в жидкость, а затем подвергают эту смесь воздействию кавитации или ударных волн, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа.

Изобретение характеризуется также тем, что газокапельную струю помещают в дополнительный внешний газовый коаксиальный поток того же направления.

Это позволяет увеличить дальность действия созданной газокапельной струи.

Изобретение характеризуется тем, что разработано устройство для создания газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло, которое согласно изобретению снабжено камерой формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, которая установлена в камере формирования двухфазного газокапельного потока, связана с входом подачи жидкости и имеет вход подачи газа.

Снабжение внешним коаксиальным соплом, имеющим вход подвода газа и в котором соосно с ним расположено газодинамическое сопло, позволяет увеличить дальность действия созданной газокапельной струи.

Использование предлагаемой группы изобретений дает возможность более эффективно использовать энергию жидкости, преобразуя ее в максимальной степени в кинетическую энергию, направленную вдоль оси газокапельной струи.

Получаемый дисперсный поток капель имеет меньший размер, чем в известных способах. Это позволяет получать более высокую скорость жидкости на выходе из газокапельного сопла и, следовательно, большую дальность струи при прочих равных условиях, и улучшение тушащих свойств струи, так как более мелкие капли быстрее испаряются.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод: предлагаемые изобретения повышают эффективность газокапельной струи.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков в аналогичных способах создания газокапельной струи и устройствах для их осуществления, т.е. группа предлагаемых решений соответствует критерию “новизна”.

При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся способами создания газокапельной струи и устройствами для их осуществления, они явным образом не следуют из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию изобретения “изобретательский уровень”.

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления группы изобретений.

Предлагаемая группа изобретений поясняется нижеследующим описанием и чертежами, на которых:

на фиг.1 показана схема устройства для осуществления способа создания газокапельной струи;

на фиг.2 показана схема устройства для осуществления способа создания газокапельной струи с дополнительным соплом.

Устройство для создания газокапельной струи включает камеру 1 формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости 2 и газа 3, связанное с ней газодинамическое сопло 4, камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, которая установлена в камере 1 формирования двухфазного газокапельного потока, связана с входом подачи жидкости 2 и имеет вход подачи газа 5.

Входы подачи жидкости и газа связаны с узлами подачи жидкости 6 и газа 7.

Камера формирования двухфазного потока пузырьковой структуры выполнена с центральным каналом, состоящим из последовательно соединенных между собой цилиндрического участка 8 и конического участка 9, например сопла (или диффузор). При этом цилиндрический участок камеры связан с входом подачи жидкости 2 посредством сопла для жидкости 10. Сопло 9 (или диффузор) предназначено для процессов разгона или торможения пузырькового потока.

Камера 1 формирования двухфазного газокапельного потока, камера формирования двухфазного потока пузырьковой структуры и газодинамическое сопло 4 так расположены относительно друг друга, что образуют камеру 11 смешения для формирования газокапельного потока дисперсной структуры.

Газодинамическое сопло 4 предназначено для ускорения газокапельного потока дисперсной структуры и получения газокапельной струи. Оно может быть выполнено как обычное сопло, так и кольцевым с центральным телом для компактирования струи.

Предлагаемое устройство может быть также снабжено внешним коаксиальным соплом 12, имеющим вход подвода газа 13 и в котором соосно с ним расположено газодинамическое сопло 4.

Рассмотрим, как можно осуществить предлагаемый способ создания газокапельной струи.

Рабочее тело (газ) распределяют на два потока: часть газового потока направляют на формирование двухфазного потока пузырьковой структуры, второй используют в газокапельном сопле 4 для разгона двухфазного потока дисперсной (газокапельной) структуры.

Двухфазный поток пузырьковой структуры получают путем подмешивания части газа к жидкости. Это можно производить на разных стадиях способа: либо в сопле 10 для подачи жидкости, либо после ее предварительного разгона для снижения давления в камере формирования двухфазного потока пузырьковой структуры.

Полученный двухфазный поток пузырьковой структуры, созданный смешением жидкости и части потока газа, либо тормозят до скорости, обеспечивающей давление, равное давлению в камере 11 смешения, либо разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в двухфазном потоке.

С этой целью для разгона жидкости можно использовать сопло 10 для подачи жидкости, для смешения и получения пузырькового потока - камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, для разгона пузырькового потока - сопло 9. Это сопло может играть роль диффузора при торможении пузырькового потока.

После процесса разгона или торможения пузырькового потока его направляют в камеру 11 смешения, куда одновременно подают оставшийся поток газа.

Расход газа G_Г1 для получения потока пузырьковой структуры выбирают из условия G_Г1<G_ж Р/RТρ_ж, где

G_ж - массовый расход жидкости,

G_Г1 - массовый расход газа, смешиваемого с жидкостью для получения пузырькового потока,

Р - давление в области подачи части газа в жидкость при формировании потока пузырьковой структуры;

R - газовая постоянная газового потока,

Т - температура газожидкостной смеси пузырькового потока,

ρ_ж - плотность жидкости.

В качестве жидкости может использоваться вода, масло и т.д.

Пузырьковый поток в сопле 9 (или диффузоре) разрушается под действием возникающих либо кавитации, либо ударных волн, образуя газокапельную смесь на выходе, которую направляют в камеру 11 смешения, где происходит ее дальнейшее интенсивное разрушение в зависимости от значений параметров т.е. переходом из пузырьковой структуры в дисперсную с образованием мелких капель.

Одновременно в эту камеру 11 смешения поступает оставшийся поток газа, который смешивают с дисперсным потоком жидкости, образуя газокапельную смесь.

Полученную таким образом газокапельную смесь направляют в газокапельное сопло 4, в котором разгоняют ее до заданной скорости и создают на выходе из сопла 4 газокапельную концентрированную струю с мелкодисперсными каплями.

Затем для повышения дальности распространения созданной ранее струи газокапельную струю помещают в дополнительный внешний газовый коаксиальный поток того же направления, который создают в дополнительном сопле 12.

Для этого вход подвода газа 13 подсоединяют или к узлу 5 подвода газа, или к самостоятельному источнику питания (не показ.). Окружающая струю 14 газовая рубашка газовой струи 15 обеспечивает на определенном расстоянии, по крайней мере, отсутствие торможения газокапельной струи. Это расстояние определяется дальностью распространения газовой струи.

В качестве источника газа может использоваться турбокомпрессорная установка.

Турбокомпрессорная установка может быть снабжена насосом для обеспечения необходимых параметров жидкости.

Установка при необходимости может быть выполнена мобильной, для этого она снабжается транспортным средством, например автомобильным, вертолетным, самолетным, морским.

Параметры устройства для осуществления предлагаемого способа, такие как давление Р_к в камере 11 смешения, массовые секундные расходы жидкости G_ж и газа G_г, начальное давление жидкости Р_ж, выбирают из условия получения заданной длины распространения струи.

Как показывают расчеты, предложенный способ получения газокапельного потока в камере смешения и снижения дисперсности капель позволяет увеличить скорость капель жидкости в струе и увеличить эффективность струи при прочих равных условиях.

Работу предлагаемой группы изобретений осуществляют следующим образом.

Устройство перемещают в исходное положение, например, с помощью транспортирующего средства (не показано). Сопло 4 с потоком газокапельной структуры направляют в сторону объекта, к которому должна осуществляться подача газокапельной струи.

Подачу жидкости в устройство производят через узел 6 подачи жидкости.

При этом подачу одной части газа через узел 7 и вход 5 осуществляют в камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры для получения пузырькового потока и оставшейся части газа через узел 7 в камеру 11 смешения.

Пузырьковый поток разгоняют в сопле 9 до сверхзвуковых скоростей по скорости звука в двухфазной среде, либо тормозят до скорости, обеспечивающей получение на выходе из сопла 9 (диффузора) с пузырьковой структурой давления, равного давлению в камере 11 смешения, и затем направляют в камеру 11 смешения, где происходит дальнейшее формирование структуры газокапельного потока, дробление жидкости и образование мелкодисперсного газокапельного потока.

Другую часть газового потока, через узел 7 также поступающую во вторую камеру 11 смешения, смешивают с каплями, формируя дисперсный газокапельный поток, который поступает в газокапельное сопло 4, а там его разгоняют до заданной скорости, создавая мелкодисперсную высококонцентрированную газокапельную струю.

Были проведены испытания при следующих параметрах:

Р_к=5×10⁵ Па - давление в камере смешения;

G_ж=0,4 кг/с - массовый расход жидкости;

G_Г1=0,01 кг/с - массовый расход газа;

G_Г1=0,0024 кг/с - массовый расход части газа, используемый для создания двухфазного пузырькового потока;

Р_ж=10×10⁵ Па - давление жидкости.

Дальность распространения L_газ газовой струи составляет величину порядка 100 калибров начального диаметра D_газ газовой струи, т.е. L_газ/D_газ=100.

Дальность газокапельной струи L_{газокап} составляет величину порядка 1000 начального диаметра d_{газокап}, т.е. L_{газокап}/D_{газокап}=1000.

Если принять, что D_газ/d_{газокап}=10, то L_газ=1000 d_{газокап}, т.е. на длине 1000 d_{газокап} газовая струя будет защищать газокапельную струю и, таким образом, может увеличить распространение газокапельной струи вдвое.

Полученные результаты по распространению газокапельной струи свидетельствуют о том, что параметры, выбранные в соответствии с вышеуказанными условиями, и организация процесса получения струи в соответствии с предложенным способом позволяют повысить эффективность получаемой двухфазной газокапельной струи за счет более полного использования энергии жидкости и улучшения процесса ее диспергирования.

В частности, дальность полета струи увеличилась в 1,5 раза по сравнению с прототипом при одинаковых граничных условиях.

При начальном диаметре получаемой предлагаемым способом газокапельной струи, составляющем порядка 10 мм, дальность такой струи составляет 10 м (1000 калибров начального диаметра).

При испытаниях, проводимых с применением спутного газового потока того же направления диаметром 100 мм, увеличивается дальность газокапельной струи до 20 м.

Представленные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого способа для создания газокапельной струи, а также устройства, с помощью которого реализуется способ, и возможность достижения технического результата, заключающегося в повышении эффективности газокапельной струи.

Наиболее эффективно использование изобретения в противопожарной технике при тушении пожаров на объектах, где необходимо использование минимального количества жидкости с максимальной эффективностью (снижение ущерба от самого процесса тушения), в климатических установках для сельского хозяйства, медицины, экологии и др.

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения высоко концентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель. Такие струи могут использоваться в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива и других отраслях, где необходимы мелкодисперсные и дальнобойные газокапельные струи. Задачей, решаемой предлагаемой группой изобретений, является обеспечение формирования газокапельного двухфазного потока способом, позволяющим повысить эффективность работы устройства за счет более рационального использования энергии жидкости и гарантированного способа диспергирования двухфазного пузырькового газожидкостного потока. Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа создания газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, в котором согласно изобретению жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно, предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры путем подачи части газа в жидкость, а затем подвергают эту смесь воздействию кавитации или ударных волн, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа. Изобретение характеризуется также тем, что газокапельную струю помещают в дополнительный внешний газовый коаксиальный поток того же направления. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, отличающийся тем, что жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно, предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры путем подачи части газа в жидкость, а затем подвергают эту смесь воздействию кавитации или ударных волн, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа.2. Способ создания газокапельной струи по п.1, отличающийся тем, что газокапельную струю помещают в дополнительный внешний газовый коаксиальный поток того же направления.3. Устройство для создания газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло, отличающееся тем, что оно снабжено камерой формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, которая установлена в камере формирования двухфазного газокапельного потока, связана с входом подачи жидкости и имеет вход подачи газа.4. Устройство для создания газокапельной струи по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено внешним коаксиальным соплом, имеющим вход подвода газа и в котором соосно с ним расположено газодинамическое сопло.