СПОСОБ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ФАКЕЛА РАСПЫЛА ДИСПЕРСИОННОСПОСОБНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01N21/53 G01N15/02 

Область техники

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля и регулирования параметров дисперсных сред.

Уровень техники

Известен близкий аналог - оптико-электронный «Способ экспресс-анализа характеристик топливного факела» (патент на изобретение №2259554, опубликован 27.08.2005 г.), заключающийся в том, что экспресс-анализ факела достигается за счет определения локальных распределений капель по размеру в различных точках факела при его сечении лазерной плоскостью. В качестве таких распределений для описания структуры дисперсных сред используют двухпараметрическую зависимость Розин-Раммлера. Определяют параметры D_cp, мкм (характерный средний диаметр капель) и n (константа распределения Розин-Раммлера капель по размеру), характеризующие дисперсность распределенного топлива. Там же описана установка для реализации указанного способа.

Основными недостатками этого изобретения, которые не позволяют достаточно эффективно применять данный способ и установку для измерения и оценки параметров, регулирования и конструирования распылительных устройств (РУ) для получения дисперсных факелов технологических жидкостей с разной заданной степенью диспергирования, являются следующие:

- отсутствует такая важная характеристика дисперсных потоков, как скорость движения капель в разных частях факела распыла. Капли одного размера (тем более жидкого топлива), но двигающиеся с разными скоростями, дадут разный конечный эффект;

- на вход в РУ подают объем жидкости с заданным расходом (например, мл/сек), а на выходе определяют, так называемый, «среднедисперсный» размер D_cp.,мкм, который линейно не увязан с дисперсным микрообъемом (мкм³) диспергированной жидкости, поэтому параметр D_cp.,мкм, не может служить определителем дисперсного микрообъема, получаемого на выходе из РУ;

- «средние» диаметры для всех диспергированных капель факела жидкости сферической формы с размерами D≥5,0 мкм, - технологически применяемыми в промышленности, медицине, сельском хозяйстве (и в целом ряде других отраслей науки и техники), - в природе не существуют: микрообъемы капель, рассчитанные по виртуальным «средним» диаметрам практически плохо математически коррелируют с микрообъемами, рассчитанными по их фактическим диаметрам.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является преодоление недостатков указанного аналога в части расширения функциональных возможностей способа и установки за счет измерения скоростей диспергированных капель и получения результатов оценки параметров факела распыла посредством анализа величин приведенных интегральных объемов капель на единицу площади с сортировкой по последовательности смежных диапазонов размеров капель.

Для решения этой задачи предлагается способ оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, заключающийся в том, что полученный из распылительного устройства факел жидкости в заданном месте и направлении «рассекают» лазерной световой плоскостью, сформированной из импульсного луча импульсного лазера с помощью оптической системы в виде плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности. Регистрируют фоторегистратором и передают в ЭВМ для дальнейшей обработки импульсное световое изображение рассеченной части факела и определяют параметры дисперсионного распыла капель в данной части факела. При этом дополнительно производят определение скоростей движения капель факела с помощью лазер-доплеровского эффекта, для чего используют излучение дополнительного непрерывного лазера, которое с помощью оптической схемы делят на два пересекающихся луча. В области их пересечения формируют измерительный объем с пространственно-периодическим распределением интенсивности света, при этом частота света, рассеянного движущейся каплей, отличается от частоты падающего света лазера на величину, зависящую от скорости движения капли и однозначно с ней связанную. Это излучение собирают в большом телесном угле с помощью объектива и через диафрагму подают в фотоприемник, где с помощью анализатора спектра производят электронный спектральный анализ частот рассеянного света и определяют центральную частоту спектра f_D, также фиксируют значение длины волны £ излучения лазера. Скорость движения капли определяют по формуле: $$V=f_D\frac{\pounds }{2\sin \varnothing /2}$$ , где ⌀ - телесный угол схождения лучей. Также по зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара (сферы) капли Q=0,524·D³, где D - диаметр шара диспергированной капли. Для этого в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных (по ОСТ 10.6.1-2000) классов диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности. В каждом классе от первого минимального до последнего максимального последовательно определяют в общем случае дробный коэффициент приведенного количества n_привi капель класса на единицу площади изображения. Умножают эту величину на объем Q_i шара капли своего класса для получения величины приведенного на единицу площади суммарного объема капель своего класса. Полученные дискретные величины приведенных на единицу площади суммарных объемов капель всех классов n_привiQ_i (i=1…i_max) и общую сумму этих объемов Σn_привiQ_i при i=1…i_max используют в дальнейшей математической статистической и/или интегральной обработке для определения базового параметра-коэффициента поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла. В качестве базового параметра поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла используют выборочное статистическое стандартное (среднее квадратичное) отклонение, характеризующее степень разброса суммарных объемов капель классов от монодисперсного состояния. В общем случае чем эта неотрицательная величина меньше, тем исследуемая часть факела является более монодисперсной.

Также могут получать систему световых изображений различных частей факела, в первую очередь, перпендикулярно главной оси распространения факела распыла и определять параметры распыла капель в этих частях факела как по отдельности, так и совместно интегрально по всему факелу с учетом приведения суммарных объемов n_привiQ_i капель всех классов на общую единицу площади изображений.

Установка для реализации способа оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости включает лазерный импульсный источник света, распылительное устройство формирования факела распыла, оптическую систему для формирования и направления на исследуемую часть факела распыла плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности от лазерного импульсного источника света, цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения исследуемой части факела распыла, ЭВМ для хранения и обработки цифровых сигналов зарегистрированных изображений. При этом установка дополнительно содержит непрерывный лазер, оптическую схему делителя его луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага, цифровой фотоприемник с электронным анализатором спектра частот пространственно-периодического распределения интенсивности рассеянного света в измерительном объеме в исследуемой части факела распыла для определения скоростей движения капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.

Перечень фигур

фиг.1 - принципиальная схема предлагаемой установки;

фиг.2 - схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ;

фиг.3 - схема примера распределения скоростей диспергированных капель в факеле РУ;

фиг.4 - график примера распределения приведенных на единицу площади интегральных объемов монодисперсных капель последовательности смежных диапазонов размеров.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схемы предлагаемой установки для реализации способа позициями обозначены: 1 - непрерывный He-Ne лазер ЛГН-503; 2 - оптическая схема делителя луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага; 3 - объектив с цифровым фоторегистратором (3а); 4 - анализатор спектра; 5 - импульсный лазер ЛГИ-215; 6 - поворотные головки; 7 - комбинированные линзы; 8 - цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения, юстированный по плоскости, секущей факел, и перпендикулярный этой плоскости; 9 - распылительное устройство (РУ); 10 - ЭВМ для хранения и обработки цифровых данных дисперсности сечений факела и скоростей движения диспергированных капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.

Как импульсный рубиновый (ЛГИ-215), так и непрерывный He-Ne (ЛГН-503) лазеры входят в состав одной измерительной голографической установки УИГ-12, но конструктивно в установке расположены раздельно и работают также раздельно. He-Ne лазер смонтирован непосредственно на плите голографического стола и фокусирован на факел форсунки, а импульсный - под плитой, откуда с помощью поворотных головок 6 также фокусирован на тот же факел форсунки. В установке использован метод «лазерного ножа»: луч импульсного рубинового лазера 5 преобразуется в плоский тонкий световой пучок (0,5…1 мм) с равномерным распределением его интенсивности с помощью оптической системы 7, представляющей собой комбинацию короткофокусной цилиндрической линзы и длиннофокусной телескопической системы с переменным фокусным расстоянием. Импульс «лазерного ножа» (5 микросекунд) рассекает факел работающей форсунки в заданном месте. Все капли, попавшие в плоскость сечения, регистрируются цифровым фоторегистратором 8, расположенным строго перпендикулярно этой плоскости и юстированным по отношению к ней. Так как рабочая толщина «лазерного ножа» - от 0,5 до 1 мм, а размер капель меньше по крайней мере на порядок, то основная масса капель (90…95%) освещены полностью и дают достаточно объективную информацию о своем истинном размере. Капли, попавшие в плоскость «лазерного ножа», не рассекаются им, а только освещаются в течение 5 микросекунд и дают возможность неразрушающим контролем оценить свои размеры с помощью фоторегистратора с последующей обработкой и расчетом.

Пример осуществления способа

На установке проводились сравнительные исследования факелов пневматических форсунок типа «Г-2м» с закруткой и без закрутки распыляющего сжатого воздуха. Разбивая зону факела вдоль оси и в поперечном направлении на участки и соизмеряя скорость газового потока и капель жидкости в каждом из них, была визуализирована картина течений жидкости и газа. На фиг.2 представлена схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ - схема истечения воздушного потока из кольцевого зазора форсунки с закруткой сжатого воздуха. Воздух раскручивали с целью увеличения угла раскрытия факела и снижения его дальнобойности. Исследования показали, что при закрутке сжатого воздуха вблизи среза жидкостного сопла образуется область пониженного давления (зона I) с циркуляционными областями обратных токов (зона II). Пониженное давление в ней искривляет траекторию струи, которая быстро примыкает к оси симметрии. Размер области обратных токов не превышает 3…5 калибров жидкостного сопла. При распылении жидкости в закрученном потоке сжатого распыливающего воздуха (P=1 бар) были экспериментально замерены скорости капель и выявлены их существенные различия в разных частях факела форсунки, распределение которых приведено на фиг.3. Закрутка распыливающего воздуха способствует интенсивному расширению факела от среза сопла, увеличению угла раскрытия с 17…19° (прямой незакрученный поток) до 45…55° и быстрому затуханию скорости вдоль оси.

Полученная с помощью лазерной техники информация о скоростях движения капель распыляемой жидкости и полях скоростей всего факела становится еще одной важной характеристикой оценки эффективности конкретного РУ и путей совершенствования его конструкции, открывает возможность разработки новых РУ. Так, например, при работе топливных форсунок различие скоростей движения капель одинакового размера в разных частях факела в два и более раз может привести к их неполному сгоранию, т.к. одновременно идут процессы интенсивного испарения и горения. Новые РУ должны разрабатываться не только с целью достижения монодисперсного распыла, но и с такими скоростями движения капель, которые обеспечат их максимально полное сгорание, учитывая объем и конструкцию камеры сгорания. Такой подход способен обеспечить наивысшую энергоэффективность и снизить расход жидкого топлива.

Таким образом, использование лазерной техники в исследовании факела позволило:

- оценить скорость движения капель (так для одной из пневматических форсунок эта скорость в различных частях факела менялась в интервале 70...120 м/сек);

- обнаружить зону обратных токов вблизи жидкостного сопла для закрученных потоков;

- увидеть зону нераспавшейся струи, где струя жидкости начинает распадаться на капли;

- обнаружить немонотонность распределения концентраций капель в поперечном сечении факела, причем эти концентрации в разных частях факела могут различаться на порядок.

Также в способе предложено использовать систему единиц измерений дисперсности (поли - или монодисперсности), обусловленную следующими парадигмами:

- как размер, среднеобъемные, медианно-массовые и другие «средние» диаметры капель не могут по определению быть системообразующими единицами измерений дисперсности, так как все они не являются количественной, физико-химической, энергетической, экономической мерой дисперсионно-способных жидкостных систем (ДЖС) и их невозможно инструментально измерить.

- как агрегатные состояния вещества любые ДЖС характеризуются микрообъемами капель и их числом (количеством) в зависимости от степени диспергирования этих микрообъемов в общем объеме ДЖС, а для нормирования сравнительного анализа - с приведением этого количества к единице площади;

- в физико-математическом смысле полидисперсность - квадратичное отклонение объемов капель от монодисперсного. Это отклонение (практический разброс капель по их числу (количеству), размерам и объемам в зависимости от степени диспергирования объемов) следует называть коэффициентом поли- или монодисперсности, математически равным корню квадратному из дисперсности.

В качестве основной системной единицы дисперсности принимается дисперсный кубический микрон с размерностью мкм³ - микрообъем шара (сферы) капли в соответствии с классической формулой объема шара: Q=0,524·D³, где D - диаметр диспергированной капли в мкм. Внесистемные единицы объема дисперсности: 1 л=10¹⁵ мкм³; 1 мл=10¹² мкм³.

В примере реализации способа в таблице и на фиг.4 представлены результаты измерения зарегистрированных на предлагаемой установке данных и оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости.

Таблица Клас-
совый
промежу-
ток (по
ОСТ 10.6.1-2000) Диапазон диаметров капель класса, мкм Средний диаметр капель класса, мкм Приведенное количество капель на единицу площади, шт/см² Приведенный объем в классе, мкм³/см² %-доля жидкости, заключенной в каплях класса 1-3 14-41 28 303,60 3,3·10⁶ 0,32 3-5 42-69 56 239,30 20,2·10⁶ 2,13 5-7 70-97 84 121,40 34,4·10⁶ 3,40 7-9 98-125 112 60,71 41,0·10⁶ 4,13 9-11 126-153 140 41,67 55,4·10⁶ 5,52 11-13 154-181 168 41,67 95,2·10⁶ 9,60 13-15 182-209 196 23,81 86,7·10⁶ 8,70 15-17 210-237 224 19,44 107,0·106 10,60 17-19 238-265 252 11,61 85,0·106 9,00 19-21 266-293 280 6,55 69,2·106 7,00 21-23 294-321 308 4,17 58,8·106 5,80 23-25 322-349 336 3,21 58,6·106 5,80 25-27 350-377 364 2,14 50,0·106 5,03 27-29 378-405 392 1,67 48,5·106 4,87 29-31 406-433 420 1,19 29,0·106 4,30 31-33 434-461 448 0,83 36,2·106 3,62 33-35 462-489 476 0,65 33,8·106 3,42 35-37 490-517 504 0,48 29,6·106 2,95 37-39 518-545 532 0,30 21,8·106 2,20 39-41 546-573 560 0,12 10,2·106 1,01 41-43 574-601 588 0,06 5,6·106 0,60 Сумма - - - 979,5·106 100

По приведенным на единицу площади (1 см²) интегральным (аддитивным) объемам (объем капель на их кол-во на ед. площади) и классическим формулам выборочных характеристик среднеквадратичное отклонение (квадратный корень из дисперсии), принимаемое как коэффициент поли- или монодисперсности, оказалось равным 2,87.

По другим авторским формулам и производным единицам дисперсности оценки коэффициента поли- или монодисперсности величина коэффициента поли- или монодисперсности также оказывается достаточно близкой к величине, полученной по классическим формулам, а именно равной 2,98. Этот результат был получен в результате обработки данных таблицы с помощью следующих авторских формул и единиц дисперсности.

Единица степени диспергирования микрообъемов жидкости - геометрический (общий) коэффициент поли - или монодисперсности ДЖС K_п/м по формуле:

$$K_{п/м}=\sqrt{{К}_{\mathrm{1,}прив}\cdot {К}_{\mathrm{2,}объемн}},$$ где:

- K₁,_прив - квадратичное отклонение приведенных диаметров капель от монодисперсного:

$${К}_1{}_{,прив}=\frac{d_{прив,max}}{d_{прив,mix}}$$

K₂,_объем - квадратичное отклонение микрообъемов капель и числа (количества) капель, содержащихся в аддитивном (интегральном) микрообъеме, от монодисперсного:

$${К}_{\mathrm{2,}объем}=\frac{{\displaystyle \sum \left(n\cdot d_i^3{}_{,прив}\right)\max }}{{\displaystyle \sum \left(n\cdot d_i^3{}_{,прив}\right)mix}}\cdot K_1^{-1},прив$$

Установленные единицы измерений дают основание сформулировать когерентную систему уравнений связи: систему измерений дисперсности в соответствии с законом сохранения массы вещества и канонами международной системы единиц.

$$\{\begin{array}{l}{Q}_{\mathrm{1,}\max }+Q_{\mathrm{2,}\min }=Q_{общ}\mathrm{,100}\%\\ \frac{Q_{общ}}{\mathrm{0,524}{\displaystyle \sum _{D\min }^{D\max }n\cdot D_i^3{}_{,прив}\cdot Kп/м}}\\ {К}_{п/м}=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum \left(n\cdot d_i^3{}_{,прив}\right)}\approx 90\%}{{\displaystyle \sum \left(n\cdot d_i^3{}_{,прив}\right)\approx 10\%}}}\end{array}=\mathrm{1,0};где:$$

Примечание: ≈90% (max) и ≈10% (min) - распределение объемов жидкости, содержащейся в соответствующих накопленных интегральных объемах капель (по ОСТ 10.6.1-2000).

Расчетные результаты данных таблицы по вышеприведенным авторским формулам были получены следующие:

K_1,прив=3,44

K_2,объем=2,59

К_п/м=2,98

По опыту практической работы авторов нахождение величины К_п/м в диапазоне 1…2 означает близкое к монодисперсному состояние капель, в диапазоне 2…5 - пограничное состояние между моно- и полидисперсным, >5 - полидисперсное состояние исследуемой части факела. При этом надо стремиться к исключительно монодисперсному состоянию ДЖС.

Предлагаемый способ дает конструктору и испытателю возможность на основе анализа полидисперсности получить заданную степень диспергирования жидкостей на выходе из РУ при расчетах, конструировании, стендовых испытаниях и внедрении энергетических характеристик, например:

- скорости истечения потока капель в единицу времени (м/сек);

- осаждения микрообъемов капель и их числа (количества) на единицу площади (л/га; мл/см²; мкм³/см²);

- распределения микрообъемов капель и их числа (количества) по рабочему объему камеры сгорания (мкм³/объем к.с.)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля и регулирования параметров дисперсных сред. По зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара (сферы) капли, для чего в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных классов диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности. Для реализации способа разработана двухлазерная установка с цифровыми устройствами обработки сигналов изображений и ЭВМ. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности способа и установки за счет измерения скоростей диспергированных капель и получения результатов оценки параметров факела распыла посредством анализа величин приведенных интегральных объемов капель на единицу площади с сортировкой по последовательности смежных диапазонов размеров капель. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, заключающийся в том, что полученный из распылительного устройства факел жидкости в заданном месте и направлении «рассекают» лазерной световой плоскостью, сформированной из импульсного луча импульсного лазера с помощью оптической системы в виде плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности, регистрируют фоторегистратором и передают в ЭВМ для дальнейшей обработки импульсное световое изображение рассеченной части факела и определяют параметры дисперсионного распыла капель в данной части факела, отличающийся тем, что дополнительно производят определение скоростей движения капель факела с помощью лазер-доплеровского эффекта, для этого используют излучение дополнительного непрерывного лазера, которое с помощью оптической схемы делят на два пересекающихся луча, в области их пересечения формируют измерительный объем с пространственно-периодическим распределением интенсивности света, при этом частота света, рассеянного движущейся каплей, отличается от частоты падающего света лазера на величину, зависящую от скорости движения капли и однозначно с ней связанную, это излучение собирают в большом телесном угле с помощью объектива и через диафрагму подают в цифровой фотоприемник, где с помощью анализатора спектра производят электронный спектральный анализ частот рассеянного света и определяют центральную частоту спектра f_D, также фиксируют значение длины волны £ излучения лазера, а скорость движения капли определяют по формуле: $$V=f_D\frac{\pounds }{2\sin \varnothing /2}$$ , где ⌀ телесный угол схождения лучей, а также по зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара Q=0,524·D³, где D - диаметр шара диспергированной капли, для этого в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных классовых диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности, в каждом классе от первого минимального до последнего максимального последовательно определяют в общем случае дробный коэффициент приведенного количества n_{прив i} капель класса на единицу площади изображения, умножают эту величину на объем Q_i шара капли своего класса для получения величины приведенного на единицу площади суммарного объема капель своего класса, полученные дискретные величины приведенных на единицу площади суммарных объемов капель всех классов n_привiQ_i (i=1…i_max) и общую сумму этих объемов Σn_привiQ_i при i=1…i_max используют в дальнейшей математической статистической и/или интегральной обработке для определения базового параметра-коэффициента поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве базового параметра поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла используют выборочное статистическое стандартное (среднее квадратичное) отклонение, характеризующее степень разброса суммарных объемов капель классов от монодисперсного состояния: в общем случае чем эта неотрицательная величина меньше, тем исследуемая часть факела является более монодисперсной.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что получают систему световых изображений различных частей факела, в первую очередь перпендикулярно главной оси распространения факела распыла и определяют параметры распыла капель в этих частях факела как по отдельности, так и совместно интегрально по всему факелу с учетом приведения суммарных объемов n_привiQ_i капель всех классов на общую единицу площади изображений.

4. Установка для оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, включающая лазерный импульсный источник света, распылительное устройство для формирования факела распыла, оптическую систему для формирования и направления на исследуемую часть факела распыла плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности по всей плоскости от лазерного импульсного источника света, цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения исследуемой части факела распыла, ЭВМ для хранения и обработки цифровых сигналов зарегистрированных изображений, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит непрерывный лазер, оптическую схему делителя его луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага, цифровой фотоприемник с электронным анализатором спектра частот пространственно-периодического распределения интенсивности рассеянного света в измерительном объеме в исследуемой части факела распыла для определения скоростей движения капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.