УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВАРЬИРОВАНИЯ СВОЙСТВ МНОГОФАЗНОЙ СТРУИ Российский патент 2013 года по МПК B05B1/04 

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для варьирования свойств многофазной струи без прерывания упомянутой струи, а также к их вариантам применения. Более конкретно, изобретение относится к устройству и способу для варьирования направления и/или области рассеяния многофазной струи, причем упомянутое устройство также, в случае многофазной струи, содержащей дисперсию жидких частиц, обеспечивает варьирование размера частиц жидких частиц.

Уровень техники

Во множестве промышленных вариантов применения или способов используют распыленные жидкости либо распыляемые или порошковидные твердые тела в виде газообразных струй, содержащих дисперсию упомянутых жидкостей и/или твердых тел, именуемые в дальнейшем как многофазные струи.

Это имеет место, например, в случае способов сгорания или технологий, которые используют мелкодисперсные жидкие или твердые топлива, либо, альтернативно, способов замораживания, которые используют распыленные струи жидкого азота, чтобы охлаждать пищевые продукты. В обоих случаях, характеристики многофазных струй определяют производительность способа (в том числе: длину пламени и теплопередачи, в одном случае, и скорость и однородность охлаждения - в другом).

Зачастую является преимущественным иметь возможность модифицировать направление и/или область рассеяния, в частности направление и/или область рассеяния многофазной струи в замкнутом пространстве, в котором способ осуществляется без необходимости прерывать способ. Например, было бы преимущественным иметь возможность наклонять струю, которая является результатом распыления жидкого топлива, такого как тяжелое дизельное топливо, или впрыскивания пылевидного угля, с тем чтобы иметь возможность, в ходе работы, временно ориентировать пламя в направлении напора, когда имеется необходимость увеличивать передачу тепла последнему, или иметь возможность изменять ориентацию результирующей струи, чтобы не допускать горячих точек.

Предложено несколько решений по модификации ориентации многофазной струи.

Традиционно, двухфазные струи с изменяемой ориентацией создаются с использованием распылительного устройства, ориентация которого варьируется, или, альтернативно, с использованием распылительного устройства, которое имеет по меньшей мере одно впрыскивающее сопло, ориентация которого варьируется. Тем не менее, механические системы для варьирования ориентации двухфазной струи испытывают проблемы надежности и длительности, в частности в агрессивных средах, таких как печи сгорания и криогенные установки.

Также предложены так называемые немеханические системы для варьирования направления двухфазной струи.

EP-A-0545357 описывает такой распылитель, позволяющий ориентировать направление двухфазной струи, являющейся результатом распыления жидкости или порошковидного распыляемого материала, с использованием кольцевой струи распылительного газа. Согласно EP-A-0545357 струйный регулирующий газ впрыскивается в кольцевую струю выше зоны распыления, с тем чтобы принудительно направлять распылительный газ так, чтобы он проходил через часть поперечного сечения вывода напротив впрыскивания струйного регулирующего газа, и тем самым формировать асимметричную двухфазную струю, ось которой наклонена относительно оси кольцевой струи. Эта технология дает возможность модификации наклона двухфазной струи вокруг оси инжектора от 0 до 20°. Тем не менее, эта технология имеет существенный недостаток неравномерного распыления распыляемого материала в отклоненной результирующей струе, причем распыление является заметно дефектным на той стороне, где находится точка, в которой впрыскивается струйный регулирующий газ.

WO-A-9744618 также раскрывает горелку, содержащую блок горелок, причем упомянутый блок горелок содержит центральный топливный канал, окруженный посредством множества каналов первичного окислителя, непосредственно окруженных посредством множества каналов вторичного окислителя, при этом возможно то, что топливо является жидким топливом, распыленным в определенном окислителе, или, альтернативно, дробленым твердым топливом, переносимым посредством определенного окислителя. За счет использования большей или меньшей величины первичного окислителя из вторичного окислителя, положение и форма пламени могут варьироваться. Максимальное отклонение пламени ограничено приблизительно 15° от среднего возможного до крайнего положения (конкретно, самое большее всего 30°). Помимо этого, конструкция этой горелки является относительно громоздкой, поскольку топливный канал, множество каналов первичного окислителя и множество каналов вторичного окислителя создаются в блоке горелок, который открывается в камеру сгорания печи. Блоки горелок, в общем, изготавливаются из огнеупорных материалов, которые зачастую сложно производить, в частности, в случае малогабаритных систем.

Задача изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить прочное и оптимизированное устройство, которое предоставляет широкое изменение направления и/или области рассеяния многофазной струи без необходимости прерывать струю.

Раскрытие изобретения

В этом контексте под "многофазной струей" подразумевается дисперсия жидкости в газе, дисперсия твердого тела в газе или, альтернативно, дисперсия жидкости и твердого тела в газе, идущая в преобладающем направлении в пространстве. Под "двухфазной струей" подразумевается дисперсия жидкости в газе или дисперсия твердого тела в газе, идущая в преобладающем направлении в пространстве.

"Область рассеяния" струи обозначает, для струи, выходящей из канала, угол, измеряемый от оси симметрии струи или пламени, где она выходит из канала, к образующей на поверхности струи. На практике, этот угол зачастую соответствует углу между продольной осью симметрии канала и образующей на поверхности струи.

Ориентация или направление струи задаются как вектор, нормальный к поперечному сечению прохода для жидкости, и ориентируются в направлении потока, т.е. от восходящего направления к нисходящему.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству для впрыскивания многофазной струи с переменным направлением и/или переменной областью рассеяния. Согласно изобретению устройство содержит распылительное устройство, также известное как распылитель, имеющее главное отверстие для впрыскивания многофазной струи с управляемым или регулируемым импульсом. Главное отверстие имеет поперечное сечение Sp и расположено в главной плоскости. Направление многофазной струи, испускаемой из главного отверстия, известно как главное направление.

Устройство также содержит сопло, также известное как насадка, в которую открывается главное отверстие распылительного устройства. Это сопло имеет выходное отверстие для многофазной струи, причем это выходное отверстие располагается в плоскости выхода и на противоположной стороне (в главном направлении) от главного отверстия, так, что многофазная струя, испускаемая из главного отверстия (также известная как "главная струя"), проходит через сопло до выхода из сопла через выходное отверстие.

Устройство также содержит по меньшей мере один проход, имеющий вторичное отверстие для впрыскивания в сопло газообразной воздействующей струи, которая имеет управляемый или регулируемый импульс. По меньшей мере один проход размещается таким образом, что воздействующая струя, испускаемая из соответствующего вторичного отверстия, сталкивается с многофазной струей l внутри сопла.

Направление воздействующей струи, выходящей из вторичного отверстия, известно как вторичное направление. Это вторичное направление составляет с плоскостью, перпендикулярной главному направлению, угол θ, причем этот угол θ меньше 90° и превышает или равен 0°, предпочтительно, 0°≤θ≤80°, более предпочтительно, 0°≤θ≤30°, при этом эффект воздействующей струи является наиболее очевидным, когда θ практически равно 0°, т.е. когда вторичное направление воздействующей струи лежит в плоскости, перпендикулярной главному направлению многофазной струи, выходящей из главного отверстия распылительного устройства. Когда θ не равен 0°, направление соответствующей воздействующей струи имеет компонент в главном направлении, идущий в направлении от главного отверстия к выходному отверстию.

Как подробнее поясняется далее в этом документе, устройство позволяет варьировать направление и/или область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия, на основе взаимодействия и, более конкретно, соударения многофазной струи, испускаемой из распылительного устройства, с одной или более воздействующих струй, без необходимости прерывать многофазную струю и без необходимости прибегать к механическим приводам, таким как шарниры.

Документ "Proceedings of FEDSM'02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14-18, 2002" и статья "Experimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications" авторов V. Faivre и Th. Poinsot, Journal of Turbulence, том. 5, номер 1, март 2004 год, страница 24 раскрывают использование специальной конфигурации из четырех вторичных струй вокруг газообразной монофазной струи, чтобы стабилизировать пламя через взаимодействие между вторичными струями и первичной струей. Более широкий угол рассеяния наблюдается на выходе.

Вторичное отверстие или отверстия имеют центральную точку или центр инерции, расположенный на расстоянии L₁ от главной плоскости, в которой расположено главное отверстие распылительного сопла, и на расстоянии L₂ от плоскости выхода, в которой расположено выходное отверстие сопла. L₁ и L₂, предпочтительно, меньше или равны значению, в десять раз превышающему квадратный корень поперечного сечения Ss вторичного отверстия. Центральная точка или центр инерции вторичного отверстия соответствует пересечению между вторичным отверстием и осью воздействующей струи, испускаемой из упомянутого вторичного отверстия (соответствующего воздействующей струе), или, альтернативно, пересечению между этим выходным отверстием и осью соответствующего прохода (т.е. проходом, имеющим это вторичное отверстие) в этом вторичном отверстии. Когда вторичное отверстие имеет форму круга, его центральная точка является центром круга. Расстояния L₁ и L₂ измеряются параллельно главному направлению.

Сопло, предпочтительно, изготавливается из металла.

Сопло может быть изготовлено/обработано как неотъемлемая часть распылительного устройства. Более надлежащим практическим способом формировать сопло является его отдельное изготовление/обработка и затем установка на распылительном устройстве, как описано выше. Более конкретно, сопло может иметь форму вставки или колпачка, устанавливаемого на конце распылительного сопла, содержащего главное отверстие.

Как правило, внутреннее поперечное сечение сопла во вторичном отверстии или отверстиях является перпендикулярным главному направлению и превышает или равно поперечному сечению Sp главного отверстия распылительного устройства.

Распылительное устройство может быть распылительным устройством газового типа. В таком случае распылительное устройство типично содержит центральный канал для подачи жидкости или порошка, который должен быть распылен, и кольцевой канал, окружающий центральный канал, для подачи распылительного газа. В выходном отверстии распылительного устройства многофазная струя создается посредством увлечения жидкости или порошка, испускаемой из центрального канала, посредством струи распылительного газа, испускаемой из кольцевого канала.

Распылительное устройство может быть механическим распылительным устройством. Если это так, то распылительное устройство типично содержит центральный канал для подачи жидкости, причем в этом канале давление жидкости преобразуется в кинетическую энергию. Высокая скорость струи жидкости, выходящей из участка распыления, должна увлекать некоторый окружающий газ в достаточном количестве, чтобы формировать двухфазную струю. Размеры главного поперечного сечения механического распылительного устройства типично на один порядок величины меньше размеров распылительного устройства с внешним стимулированием для идентичного расхода распыляемой жидкости.

Распылительное устройство может быть эмульсионным распылительным устройством. Если это так, то распылительное устройство типично содержит отверстие центрального канала в главной плоскости для впрыскивания дисперсии жидкости в газе или распыленного твердого тела в газе. Многофазная струя формируется в распылительном устройстве посредством надлежащего приведения потока жидкости и газообразного потока в контакт друг с другом. Размеры главного поперечного сечения эмульсионного распылительного устройства типично имеют порядок величины, идентичный размерам распылительного устройства с внешним стимулированием для идентичного расхода распыляемой жидкости.

Распылительное устройство может быть гибридным за счет комбинирования принципов распылительных устройств с внешним стимулированием и эмульсионных распылительных устройств.

Преимущественно, отношение между квадратным корнем поперечного сечения главного отверстия и квадратным корнем поперечного сечения вторичного отверстия превышает или равно 0,25 и меньше или равно 10,0 (0,25≤√Sp/√Ss≤10,0), предпочтительно, превышает или равно 1 и меньше или равно 10.

Когда распылительное устройство является распылительным устройством газового типа, эмульсионного типа или гибридного типа, отношение между квадратным корнем поперечного сечения главного отверстия и квадратным корнем вторичного поперечного сечения превышает или равно 1 и меньше или равно 10, предпочтительно, превышает или равно 3 и меньше или равно 7. Когда распылительное устройство является механическим распылительным устройством, это отношение предпочтительно превышает или равно 0,25 и меньше или равно 4.

Согласно одному варианту осуществления устройства согласно изобретению, которое более конкретно дает возможность впрыскивания многофазной струи с изменяемой ориентацией, устройство содержит по меньшей мере один проход, таким образом, что вторичное направление воздействующей струи, испускаемой из соответствующего вторичного отверстия, является секущим или практически секущим к главному направлению главной струи, испускаемой из главного отверстия. В таком случае соударение между этой воздействующей струей и главной струей, испускаемой из главного отверстия, должно давать в результате многофазную струю на выходе выходного отверстия (сопла), которая отклоняется относительно главного направления многофазной струи на выходе главного отверстия (распылительного устройства), причем многофазная струя, испускаемая из выходного отверстия, более конкретно отклоняется в направлении от вторичного отверстия воздействующей струи. Воздействующая струя, испускаемая из выходного отверстия слева от главного направления, тем самым должна давать начало многофазной струе на выходе выходного отверстия, которая отклоняется вправо относительно главного направления.

Только одна воздействующая струя, вторичное направление которой является секущим или практически секущим к главному направлению, тем самым может варьировать направление многофазной струи в одном направлении (однонаправленный эффект).

Многонаправленный эффект (в котором направление многофазной струи варьируется по нескольким направлениям) может получаться с помощью нескольких воздействующих струй, вторичное направление которых является секущим или практически секущим к главному направлению.

Согласно одному варианту осуществления устройство содержит по меньшей мере два прохода, таким образом, что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, являются секущими или практически секущими к главному направлению главной струи, испускаемой из главного отверстия, причем упомянутые вторичные отверстия, предпочтительно, располагаются в одной плоскости, перпендикулярной главному направлению, или, другими словами, на одинаковом расстоянии L₁ от главной плоскости, в которой расположено главное отверстие распылительного устройства.

Когда эти два соответствующих вторичных отверстия расположены по одному с обеих сторон оси первичной струи, можно отклонять многофазную струю на выходе выходного отверстия в двух встречных направлениях относительно главного направления, например, отклонять влево с помощью воздействующей струи, испускаемой из вторичного отверстия, расположенного справа от главного направления, и отклонять вправо с помощью воздействующей струи, испускаемой из вторичного отверстия, расположенного слева от главного направления.

Когда, с другой стороны, плоскость, заданная посредством направления одного из этих двух вторичных отверстий и главного направления, не совпадает с плоскостью, заданной посредством другого направления этих двух вторичных отверстий и главного направления, можно отклонять многофазную струю в этих двух плоскостях или даже в плоскости где-либо между двумя плоскостями, если эти две воздействующие струи впрыскиваются одновременно. Предпочтительно, плоскость, заданная посредством одного из этих двух вторичных отверстий и главного направления, должна быть перпендикулярной плоскости, заданной посредством другого из этих двух вторичных отверстий и главного направления.

Очень широкое изменение направления многофазной струи, выходящей из выходного отверстия относительно главного направления, может достигаться с использованием четырех вторичных отверстий вокруг главного направления. В таком случае устройство может конкретно содержать четыре прохода, размещаемых таким образом, что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, являются секущими или практически секущими к главному направлению, причем два из этих соответствующих вторичных отверстий задают первую плоскость с главным направлением и располагаются с обеих сторон этого главного направления, другие два соответствующих вторичных отверстия задают вторую плоскость с главным направлением и аналогично располагаются по одному с обеих сторон этого главного направления, при этом первая плоскость, предпочтительно, является перпендикулярной второй плоскости, и четыре соответствующих вторичных отверстия, предпочтительно, располагаются в одной плоскости, перпендикулярной главному направлению (на одинаковом расстоянии L₁ от главной плоскости, в которой лежит главное отверстие распылительного устройства).

Согласно одному варианту осуществления устройства согласно изобретению, которое дает возможность впрыскивания многофазной струи с изменяемой областью рассеяния, устройство содержит по меньшей мере один проход таким образом, что вторичное направление воздействующей струи, испускаемой из соответствующего вторичного отверстия, не является практически компланарным с главным направлением главной струи, испускаемой из главного отверстия. В таком случае, взаимодействие или соударение в сопле между воздействующей струей и многофазной струей приводит к испусканию многофазной струи из выходного отверстия, причем область рассеяния этой струи превышает область рассеяния многофазной струи, которая должна получаться при отсутствии воздействующей струи.

Этот эффект расширения области рассеяния конечной многофазной струи возрастает, когда применяются несколько воздействующих струй, вторичное направление которых не является компланарным с главным направлением и которые ориентированы в одном направлении вращения относительно главного направления.

Таким образом, устройство согласно изобретению может содержать по меньшей мере два прохода, ориентированных таким образом, что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, не являются практически компланарными с главным направлением главной струи, испускаемой из главного отверстия, и что вторичные струи, испускаемые из соответствующих вторичных отверстий, ориентированы в одном направлении вращения относительно главного направления. Эти соответствующие вторичные отверстия преимущественно лежат в одной плоскости, перпендикулярной главному направлению (на одинаковом расстоянии L₁ от главной плоскости, в которой лежит главное отверстие распылительного устройства). Они могут быть расположены по одному с обеих сторон главного направления. В равной степени они могут быть расположены таким образом, что плоскость, заданная посредством главного направления и одного из двух соответствующих вторичных отверстий, является перпендикулярной плоскости, заданной посредством главного направления и другого из двух соответствующих вторичных отверстий.

Устройство, которое, в частности, является эффективным при варьировании области рассеяния многофазной струи, может быть получено, когда устройство содержит три или четыре вторичных отверстия вокруг главного направления. Это устройство может конкретно содержать три или четыре прохода, размещаемых таким образом, что три или четыре соответствующих вторичных отверстия лежат в одной плоскости, перпендикулярной главному направлению, и что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, не являются практически компланарными с главным направлением, причем три или четыре воздействующих струи, испускаемые из соответствующих вторичных отверстий, ориентированы в одном направлении ориентации относительно главного направления.

Настоящее изобретение также относится к использованию устройства согласно изобретению для того, чтобы варьировать ориентацию и/или область рассеяния многофазной струи.

Таким образом, более конкретно, изобретение относится к способу для модификации ориентации и/или области рассеяния многофазной струи посредством устройства согласно одному из вариантов осуществления, описанных выше, в котором:

- многофазную струю впрыскивают в сопло через главное отверстие распылительного устройства, причем упомянутую многофазную струю впрыскивают в главном направлении и с регулируемым импульсом,

- по меньшей мере одну воздействующую струю впрыскивают в сопло через вторичное отверстие прохода, причем каждую воздействующую струю впрыскивают с регулируемым импульсом и во вторичном направлении таким образом, что вторичная струя сталкивается с многофазной струей в сопле.

Вторичное направление каждой воздействующей струи составляет с плоскостью, перпендикулярной главному направлению, угол θ, причем этот угол θ меньше 90° и превышает или равен 0°, предпочтительно, 0°≤θ≤80°, и, более предпочтительно, 0°≤θ≤30°, при этом эффект, который воздействующая струя имеет на многофазную струю, является наиболее очевидным, когда угол θ практически равен 0° (воздействующая струя является практически перпендикулярной главному направлению).

Согласно способу изобретения ориентация и/или область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, варьируется посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи.

Как упомянуто выше, способ согласно изобретению дает возможность модификации ориентации многофазной струи посредством впрыскивания по меньшей мере одной воздействующей струи в сопло при вторичной ориентации, которая является секущей или практически секущей к главному направлению многофазной струи, испускаемой из главного отверстия. Область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, варьируется посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи, вторичное направление которой является секущим или практически секущим к главному направлению.

Отклонение многофазной струи относительно главного направления во вторичном направлении увеличивается с импульсом воздействующей струи (относительно импульса многофазной струи, испускаемой из главного отверстия). При отсутствии воздействующей струи (импульс воздействующей струи=0), направление многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия сопла, является практически идентичным главному направлению (направлению многофазной струи, испускаемой из главного отверстия распылительного устройства).

Различные варианты осуществления (число воздействующих струй, положение соответствующих вторичных отверстий и т.д.) способа согласно изобретению для варьирования ориентации многофазной струи уже описаны выше относительно соответствующего устройства.

В общем, физическим параметром, который регулирует отклонение многофазной струи, является отношение импульсов воздействующей струи или струй и двухфазной струи, формируемой посредством распылителя. На практике этот параметр может использоваться для того, чтобы управлять или регулировать ориентацию многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия, посредством приспособления средств регулирования, которые регулируют импульсы и, более конкретно, расходы распылительного газа и воздействующей струи или струй.

Как упомянуто выше, способ согласно изобретению позволяет модифицировать область рассеяния многофазной струи посредством впрыскивания по меньшей мере одной воздействующей струи в сопло, вторичное направление которой не является практически компланарным с главным направлением главной струи, испускаемой из главного отверстия. В таком случае область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, может варьироваться посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи, вторичное направление которой не является практически компланарным с главным направлением.

Область рассеяния многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия, увеличивается с импульсом воздействующей струи.

Как уже упомянуто выше, более очевидное увеличение области рассеяния конечной многофазной струи может быть получено посредством впрыскивания нескольких воздействующих струй в сопло, вторичное направление которого не является практически компланарным с главным направлением главной струи, испускаемой из главного отверстия, когда эти воздействующие струи ориентированы в одном направлении вращения относительно главного направления.

Различные варианты осуществления (число воздействующих струй, положение соответствующих вторичных отверстий и т.д.) способа согласно изобретению для варьирования области рассеяния многофазной струи уже описаны выше относительно соответствующего устройства.

Физическим параметром, который управляет отклонением многофазной струи, в общем, является отношение импульсов движения воздействующей струи или струй и двухфазной струи, формируемой посредством распылителя. На практике этот параметр может использоваться для того, чтобы управлять или регулировать область рассеяния многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия, с использованием установки автоматического регулирования, которая регулирует импульсы и в общем расходы, более конкретно, распылительного газа и воздействующей струи или струй.

На практике импульс воздействующей струи чаще варьируется посредством регулирования расхода упомянутой воздействующей струи.

Когда желательно, чтобы химический состав и, в частности, содержание газа многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия, не изменялся, когда ориентация и/или область рассеяния варьируются, можно предоставлять устройство с регулируемой полной подачей газа и с газоотводом, чтобы отводить часть упомянутой полной подачи газа к одному или более проходов для впрыскивания одной или более воздействующих струй. В таком случае импульс воздействующей струи варьируется посредством варьирования части полной подачи, которая отклоняется к соответствующему проходу. Такой вариант осуществления устройства и способа может оказываться, в частности, преимущественным, когда многофазная струя содержит смесь топлива и окислителя.

Многофазная струя может быть двухфазной струей, а более конкретно, жидкостно-газовой двухфазной струей или твердотельно-газовой двухфазной струей.

Согласно одному предпочтительному варианту применения изобретения многофазная струя содержит дисперсию жидкого азота.

Согласно другому предпочтительному варианту применения изобретения многофазная струя содержит дисперсию жидкого топлива и/или твердого топлива. В таких случаях зачастую преимущественным является то, когда многофазная струя является дисперсией в газообразном окислителе. Когда многофазная струя содержит газообразный окислитель, этот окислитель может быть воздухом.

Тем не менее, когда газовая фаза многофазной струи является окислителем, этот окислитель, в определенных случаях, может также иметь содержание кислорода по меньшей мере 40% объема, предпочтительно по меньшей мере 50% объема, и, еще более предпочтительно по меньшей мере 90% объема.

Способ согласно изобретению позволяет модифицировать объем, занимаемый посредством дисперсии, и скорость частиц. В случае жидкой дисперсии изобретение также позволяет изменять распределение частиц по размерам жидких частиц.

Изобретение конкретно позволяет ориентации многофазной струи варьироваться линейно с помощью параметра управления: отношение импульса многофазной струи, впрыскиваемой в сопло, и импульса впрыскиваемой воздействующей струи.

Возможность варьирования ориентации или области рассеяния многофазной струи при отсутствии какого-либо механического перемещения устройства впрыскивания или сопла упомянутого устройства является значительным преимуществом, поскольку в промышленных средах сохранность таких механизмов трудно поддерживать во времени зачастую вследствие неблагоприятных условий окружающей среды, например очень низких или очень высоких температур и/или высоких уровней пыли либо разъедающих веществ.

Примеры

Изобретение станет более понятным с помощью следующих примерных вариантов осуществления, приводимых в качестве неограничивающего примера, в связи с фиг.1-7.

Фиг.1a, b и c схематично иллюстрируют два варианта выполнения устройства согласно изобретению, при этом фиг.1a иллюстрирует продольное сечение устройства, фиг.1b иллюстрирует поперечное сечение сопла для варьирования ориентации многофазной струи, а фиг.1c иллюстрирует поперечное сечение сопла для варьирования области рассеяния многофазной струи.

Фиг.2 иллюстрирует вид двухфазной струи, которая отклонена посредством устройства согласно изобретению.

Фиг.3 и 4 показывают влияние отношения между расходом воздействующей струи и расходом струи распылительного газа на отклонение многофазной струи, выходящей из устройства.

Фиг.5 и 6 показывают влияние, которое отношение между расходом воздействующей струи и расходом струи распылительного газа оказывает на степень расширения многофазной струи, выходящей из устройства.

Фиг.7 показывает влияние отношения между расходом воздействующей струи и расходом струи распылительного газа на средний размер частиц жидких частиц в многофазной струе.

Изобретение использует газообразные струи, известные как воздействующие струи, чтобы управлять направлением (ориентацией) и/или областью рассеяния многофазной струи, сформированной посредством распылительного устройства, зачастую известного как распылитель в случае жидкостно-газовой многофазной струи.

Фиг.1 показывает устройство согласно изобретению, содержащее распылитель газового типа 11 и сопло 15.

Распылитель 11 содержит центральный канал 12 для подачи жидкости, которая должна быть распылена, и кольцевой канал 13, окружающий центральный канал 12, для подачи распылительного газа. Центральный канал 12 и кольцевой канал 13 открываются в главное отверстие 14 распылителя 11. Таким образом, струя жидкости впрыскивается в центре главного отверстия 14 и окружается в этом главном отверстии посредством кольцевой газообразной распылительной струи. Кинетическая энергия высокоскоростной кольцевой струи распыляет струю жидкости так, чтобы, ниже главного отверстия 14, получать жидкостно-газовую двухфазную струю в главном направлении X-X, причем жидкостно-газовая дисперсия видна справа от выхода распылителя.

Типичный размер жидких капель в двухфазной струе имеет порядок нескольких десятков микронов.

Согласно изобретению устройство содержит проходы 16 для впрыскивания газообразных воздействующих струй. Вторичные отверстия 17, соответствующие упомянутым проходам 16, расположены в сопле 15 ниже главного отверстия 13 распылителя 11. Эти вторичные отверстия 17 расположены в плоскости, перпендикулярной главной оси X-X двухфазной струи (плоскости фиг.1b и 1c соответственно).

Предусмотрено две различные компоновки проходов и соответствующих вторичных отверстий, проиллюстрированных для четырех конфигураций воздействующей струи.

Фиг.1b показывает радиальную схему воздействующих струй, т.е., на этом чертеже, проходы 16 и вторичные отверстия 17 размещаются таким образом, что воздействующие струи, испускаемые из вторичных отверстий 17, имеют вторичное направление (обозначенное посредством стрелок), которое является секущим к главному направлению X-X двухфазной струи. Этот вариант осуществления изобретения обеспечивает варьирование направления многофазной струи, выходящей из выходного отверстия 18 сопла 15.

Фиг.1c показывает тангенциальную схему воздействующих струй, испускаемых из вторичных отверстий 17. На этом чертеже, проходы 16 и вторичные отверстия 17 размещаются таким образом, что вторичные направления (обозначенные посредством прямых стрелок) воздействующих струй, испускаемых из вторичных отверстий 17, не являются компланарными с главным направлением X-X, но все ориентированы в одном направлении вращения (обозначенном посредством двух изогнутых стрелок) относительно главного направления. Когда одна или более воздействующих струй сталкиваются с многофазной струей в сопле, это приводит к расширению области рассеяния двухфазной струи, испускаемой из выходного отверстия 18.

Следующие размеры отмечены на фиг.1:

Размеры коаксиального распылителя:

D₁: Диаметр центрального канала для подачи жидкости

D_gi: Внутренний диаметр кольцевого канала распылительного газа

D_ge: Наружный диаметр кольцевого канала распылительного газа

Размеры системы управления:

D₀: Диаметр выходного отверстия устройства

H: Расстояние между выходными отверстиями и главным отверстием, измеряемое под прямым углом к главному направлению X-X

d₁: Первый характеристический размер прохода

d₂: Второй характеристический размер прохода d=VVV(d₁ ²+d₂ ²)

L₁: Расстояние между центральной точкой вторичного отверстия и главной плоскостью

L₂: Расстояние между центральной точкой оси вторичного отверстия и плоскостью выхода.

Как правило, расстояния L₁ и L₂ измеряются параллельно главному направлению X-X между центральной точкой вторичного отверстия 17, и, соответственно, плоскость главного отверстия 13 и плоскость выходного отверстия 18 находятся в диапазоне значений, от одного до десяти раз превышающих квадратный корень поперечного сечения вторичного отверстия 17. Квадратный корень поперечного сечения вторичного отверстия 17 соответствует поперечному сечению воздействующей струи в этом вторичном отверстии. Квадратный корень поперечного сечения вторичного отверстия 17 для поперечного сечения воздействующей струи на выходе этого вторичного отверстия 17 рассматривается в дальнейшем как характеристический размер d воздействующей струи.

Характеристический размер воздействующих струй определяет, для данной скорости потока жидкости в соответствующем проходе 16, импульс воздействующих струй.

Чтобы достигать значительных отклонений в ориентации многофазной струи (см. фиг.1b), желательно максимизировать отношение между импульсом воздействующей струи или струй, впрыскиваемых в сопло 15, и импульсом многофазной струи, выходящей из главного отверстия 13, с учетом того, что на практике характеристические размеры проходов, в общем, подчиняются производственным ограничениям.

Число вторичных струй, действующих на одну многофазную струю, типично ограничено четырьмя, поскольку большее число вторичных струй не будет существенно повышать производительность устройства и способа, но может приводить к трудностям при конструировании и более высоким затратам на изготовление. Кроме того, поскольку пускатели размещаются в зоне рядом с главным отверстием 13 и его выходным отверстием 18, то это, по соображениям экономии пространства, ограничивает их число.

Примеры ниже касаются использования устройства и способа согласно изобретению для варьирования ориентации или области рассеяния многофазной струи.

Устройство для варьирования ориентации многофазной струи (примеры 1-3) по существу является таким, как проиллюстрировано на фиг.1a и 1b, в котором только одна воздействующая струя, которая имеет вторичное направление, секущее к главному направлению, впрыскивается в сопло.

Устройство для варьирования области рассеяния многофазной струи (примеры 4-6) по существу является таким, как проиллюстрировано на фиг.1a и 1c, с четырьмя впрыскиваемыми воздействующими струями.

На фиг.3-6, z - это расстояние ниже выходного отверстия устройства (измеряемого в главном направлении), в котором, соответственно, измеряются альфа отклонения (a) и расширение (L-L₀)/L₀. Измерение при z=0, следовательно, является измерением непосредственно на выходе выходного отверстия, причем L₀ - это ширина многофазной струи при z=0, т.е. в выходном отверстии.

Параметр управления

В примерах, рабочим параметром для устройства и способа согласно изобретению (для постоянных характеристических размеров воздействующей струи) является отношение расходов газа, проходящего, соответственно, через проход или проходы в виде воздействующих струй, и через кольцевую распылительную струю.

Для всех результатов, изложенных в этом документе, полный расход газа через пускатели и распылительную струю остается постоянным.

Отклонение многофазной струи

Примеры 1-3: Отклонение многофазной струи

Пример 1:

Отклонение многофазной струи задается как угол между направлением многофазной струи, выходящей из выходного отверстия 18 сопла, и главным направлением X-X многофазной струи, выходящей из главного отверстия распылителя.

Этот угол может измеряться из огибающей многофазной струи на выходе камеры управления с использованием омброскопии (см. фиг.2).

Фиг.2 показывает среднее и обработанное изображение двухфазной струи или "распыления" воды, формируемой посредством распылителя пневматического типа, подвергнутого действию воздействующей струи посредством устройства, чтобы варьировать ориентацию многофазной струи. Условия впрыскивания для этого примера следующие: расход воды порядка 6 гр/с, расхода газа в кольцевой распылительной струе порядка 1,3 гр/с и расход газа в пускателе 0,7 гр/с. Наблюдаемый угол, через который отклоняется двухфазная струя, составляет приблизительно 30°.

Пример 2:

Фиг.3 показывает влияние параметра управления на отклонение двухфазной струи в устройстве для варьирования направления многофазной струи (фиг.1a и b), в которой D₀=7,5 мм и d₁=3,0 мм.

В первую очередь на этом чертеже следует отметить, что угол отклонения струи жидкости уменьшается с увеличением расстояния от инжектора. Этот результат может объясняться посредством баллистики жидких капель, на которые влияет сила тяжести (при этом инжектор размещается здесь в вертикальном положении вниз).

Специально следует отметить, что угол отклонения двухфазной струи увеличивается практически линейно с параметром управления. Это явление демонстрирует высокий динамический диапазон (большую амплитуду уровня управления и угла, на который струя может отклоняться), и параметр управления, следовательно, предоставляет оптимальное управление направлением многофазной струи с использованием установки автоматического регулирования, которая регулирует импульсы или расходы соответствующих газообразных струй.

Помимо этого, максимальное значение, полученное для этой первой конфигурации, превышает максимальное значение, полученное для известных немеханических систем, например, согласно EP-A-0545357.

Пример 3:

Фиг.4 показывает влияние параметра управления на отклонение двухфазной струи в устройстве для варьирования направления многофазной струи (фиг.1a и b) при размерах и рабочих режимах, идентичных показанным на фиг.3, за исключением того, что здесь D₀=5,5 мм. Вторичное отверстие воздействующей струи, следовательно, в этом случае располагается не очень далеко от главного отверстия (более низкое значение H).

Этот чертеж показывает эффект порогового регулирования, результатом чего является очень большое увеличение угла отклонения струи с уровнем управления. Кроме того, максимальная амплитуда отклонения намного больше, чем в предыдущем случае.

Таким образом, можно регулировать амплитуду отклонения струи и динамического диапазона системы управления (отношение между параметром управления и отклонением полученной струи) через надлежащий выбор расстояния H.

Чтобы получать очень большие амплитуды, например фактически 50° или 60°, должно применяться расстояние H в диапазоне от 0,5 до 1,50 раз от характеристического размера d воздействующей струи. В отличие от этого, если требуется только существенное отклонение (30°) без эффекта порогового регулирования (практически линейная зависимость между параметром управления и отклонением полученной струи), то должно выбираться расстояние в диапазоне между 0 и 0,2×d.

Примеры 4 и 5: Область рассеяния двухфазной струи

Область рассеяния многофазной струи, испускаемой из выходного отверстия, задается на основе огибающей двухфазной струи, причем эта огибающая определяется так, как упомянуто выше. На практике, уровень расширения струи определяется как относительное изменение ширины двухфазной струи на данном расстоянии ниже инжектора.

Пример 4:

Фиг.5 показывает изменение уровня расширения "распыления" как функцию от параметра управления для четырех воздействующих струй, расположенных тангенциально при H=80 мм и di=3 мм. Может быть отмечен непрерывный и линейный рост до параметра управления = 5, аналогично демонстрирующий очень высокий динамический диапазон.

Пример 5:

Как показано на фиг.6, для пускателей, размещаемых тангенциально, диаметр d₁ прохода и, следовательно, для идентичного d₂, также размер d прохода, заметно не модифицирует эффект управления. На этом чертеже, SW2, SW3 и SW5 отличаются тем, что в SW2 d₁=2 мм, в SW3 d₁=3 мм, и в SW5 d₁=5 мм.

Пример 6: Распределение частиц по размерам в двухфазной струе

Хотя воздействующие струи дают возможность модификации направления двухфазной струи или ее области рассеяния, как уже отмечено, они также дают возможность модификации распределения частиц по размерам, т.е. они позволяют изменять распределение размеров капель. В этом примере 8, оптическая технология Молверна (рассеяние света посредством частиц) используется для того, чтобы измерять средний размер (средний диаметр Саутера).

Фиг.7 показывает изменение среднего диаметра Саутера (D32) для четырех воздействующих струй, расположенных тангенциально. Можно видеть то, что имеется непрерывное увеличение среднего диаметра Саутера при размере d₁ (и, следовательно, при d₂, который является постоянным, при размере d, который больше). В отличие от этого, когда d₁ (и, следовательно, для d₂, который является постоянным, d) меньше, увеличение размера частиц сразу же ограничивается. Выбор размеров прохода и, следовательно, вторичного отверстия и, как результат, поперечного сечения воздействующей струи на выходе соответствующего вторичного отверстия, например, должен обеспечивать более широкое раскрытие распылителя c или без значительной модификации размера частиц.

Изобретение относится к устройству и способу для впрыскивания многофазной струи с переменным направлением и/или отверстием посредством струйного взаимодействия между многофазной струей и одной или более воздействующих струй. Устройство для впрыскивания содержит распылительное устройство и сопло. Распылительное устройство имеет главное отверстие для впрыскивания многофазной струи с регулируемым импульсом в главном направлении. Главное отверстие располагается в главной плоскости. В сопло открывается главное отверстие распылительного устройства. Сопло имеет выходное отверстие для многофазной струи, которое расположено в плоскости выхода и на противоположной стороне к отверстию впрыскивания. Устройство также имеет один проход, имеющий вторичное отверстие для впрыскивания в сопло воздействующей струи газа с регулируемым импульсом во вторичном направлении. Воздействующая струя сталкивается с многофазной струей в сопле. Вторичное направление создает с плоскостью, перпендикулярной главному направлению, угол меньше 90° и превышающий или равный 0°. Вторичное отверстие по меньшей мере одного прохода имеет центральную точку, расположенную на расстоянии от главной плоскости и на расстоянии от плоскости выхода. Способ для модификации ориентации и/или области рассеяния многофазной струи осуществляют посредством устройства для впрыскивания многофазной струи. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности для ориентации многофазной струи варьироваться линейно с помощью параметра управления: отношение импульса многофазной струи, впрыскиваемой в сопло, и импульса впрыскиваемой воздействующей струи. Это обеспечивает сохранность механизмов в неблагоприятных условиях окружающей среды. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для впрыскивания многофазной струи с переменным направлением и/или переменной областью рассеяния, причем упомянутое устройство содержит:
- распылительное устройство, имеющее главное отверстие для впрыскивания многофазной струи с регулируемым импульсом в главном направлении, причем упомянутое главное отверстие располагается в главной плоскости и имеет поперечное сечение Sp, и
- сопло, в которое открывается главное отверстие распылительного устройства, при этом упомянутое сопло имеет выходное отверстие для многофазной струи, причем данное отверстие расположено в плоскости выхода и на противоположной стороне к отверстию впрыскивания, и
- по меньшей мере один проход, имеющий вторичное отверстие для впрыскивания в сопло воздействующей струи газа с регулируемым импульсом во вторичном направлении так, что воздействующая струя сталкивается с многофазной струей в сопле, причем упомянутое вторичное отверстие имеет поперечное сечение Ss, и вторичное направление создает с плоскостью, перпендикулярной главному направлению, угол θ меньше 90° и превышающий или равный 0°, предпочтительно 0°≤θ≤80°, более предпочтительно 0°≤θ≤30°, посредством чего вторичное отверстие по меньшей мере одного прохода имеет центральную точку, расположенную на расстоянии L₁ от главной плоскости и на расстоянии L₂ от плоскости выхода, и посредством чего L₁, L₂≤10·√Ss.

2. Устройство по п.1, в котором сопло изготовлено из металла.

3. Устройство по п.1, в котором 0,25≤√Sp/√Ss≤10,0.

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов для впрыскивания многофазной струи с изменяемой ориентацией, содержащее, по меньшей мере, один проход таким образом, что вторичное направление воздействующей струи, испускаемой из соответствующего вторичного отверстия, является секущим или практически секущим к главному направлению многофазной струи, испускаемой из главного отверстия.

5. Устройство по п.4, содержащее по меньшей мере два прохода, ориентированных таким образом, что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, являются секущими или практически секущими к главному направлению многофазной струи, испускаемой из главного отверстия.

6. Устройство по любому из пп.1-3 для впрыскивания многофазной струи с изменяемой областью рассеяния, содержащее по меньшей мере один проход таким образом, что вторичное направление воздействующей струи, испускаемой из соответствующего вторичного отверстия, не является практически компланарным с главным направлением главной струи, испускаемой из главного отверстия.

7. Устройство по п.6, содержащее по меньшей мере два прохода, ориентированных таким образом, что вторичные направления воздействующих струй, испускаемых из соответствующих вторичных отверстий, не являются практически компланарными с главным направлением многофазной струи, испускаемой из главного отверстия, при этом вторичные струи, испускаемые из соответствующих вторичных отверстий, ориентированы в одном направлении вращения относительно главного направления.

8. Способ для модификации ориентации и/или области рассеяния многофазной струи посредством устройства по любому из предшествующих пунктов, причем в этом способе:
- многофазную струю впрыскивают посредством распылительного устройства в сопло через главное отверстие распылительного устройства, причем упомянутую многофазную струю впрыскивают в главном направлении и с регулируемым импульсом,
- по меньшей мере одну воздействующую струю впрыскивают в сопло через вторичное отверстие прохода, причем каждая воздействующая струя впрыскивается с регулируемым импульсом и во вторичном направлении таким образом, что вторичная струя сталкивается с многофазной струей в сопле, при этом второе направление создает с плоскостью, перпендикулярной главному направлению, угол θ, меньший 90° и превышающий или равный 0°, предпочтительно 0°≤θ≤80°, более предпочтительно 0°≤θ≤30°,
- причем в этом способе ориентацию и/или область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, варьируют посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи.

9. Способ по п.8 для модификации ориентации многофазной струи, причем в этом способе вторичная ориентация по меньшей мере одной воздействующей струи, впрыскиваемой в сопло, является секущей или практически секущей к главному направлению многофазной струи, испускаемой из главного отверстия, и область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, варьируется посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи, вторичное направление которой является секущим или практически секущим к главному направлению.

10. Способ по п.8 для модификации области рассеяния многофазной струи, причем в этом способе вторичная ориентация по меньшей мере одной воздействующей струи, впрыскиваемой в сопло, не является практически компланарной с главным направлением многофазной струи, испускаемой из главного отверстия, и область рассеяния многофазной струи, выходящей из выходного отверстия сопла, варьируется посредством варьирования регулируемого импульса по меньшей мере одной воздействующей струи, вторичное направление которой не является практически компланарным с главным направлением.

11. Способ по любому из пп.8-10, в котором многофазная струя является жидкостно-газовой двухфазной струей или твердотельно-газовой двухфазной струей.

12. Способ по одному из пп.8-10, в котором многофазная струя содержит дисперсию жидкого азота.

13. Способ по любому из пп.8-10, в котором многофазная струя содержит дисперсию жидкого топлива и/или твердого топлива.

14. Способ по п.13, в котором многофазная струя является дисперсией в газообразном окислителе.

15. Способ по п.14, в котором газообразный окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 40% объема, предпочтительно по меньшей мере 50% объема и еще более предпочтительно по меньшей мере 90% объема.