СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОТОКА ГАЗОЖИДКОСТНОГО АЭРОЗОЛЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ДИСПЕРСНОСТЬЮ ЖИДКОСТНОЙ ФАЗЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПОТОКЕ ГАЗОЖИДКОСТНОГО АЭРОЗОЛЯ С ГЕНЕРАТОРОМ ПОТОКА Российский патент 2016 года по МПК B05B7/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к машиностроению, в частности к экспериментальной пневмогидравлике, и может быть использовано при создании стендов для исследований потоков аэрозолей и испытаний измерительных приборов и другого оборудования для мультифазных сред.

Уровень техники

Известен способ создания потока аэрозоля с помощью инжекционных сопел по патенту США (см. [1] US 5193976, МПК F04D 29/70, опубл. 16.03.1993). Впрыскивание жидкости здесь осуществляется одним или несколькими инжекционными соплами, закрепленными в шаровых шарнирах, позволяющих регулировать направление впрыска в пределах сферического угла порядка 90°. Недостатком данного решения применительно к нашей задаче является то, что оно не позволяет создавать поток газожидкостного аэрозоля необходимой конфигурации и гибко варьировать им по потребностям эксперимента.

Известно также решение по патенту РФ (см. [2] RU 2323785, МПК В05В 7/08, опубл. 10.05.2008), где впрыск капель жидкости в поток газа осуществляется в сопровождении потока вспомогательного газа. При этом скорость впрыскивания вспомогательного газа больше скорости впрыскивания капелек жидкости, так что впрыснутый вспомогательный газ стабилизирует траектории капель, частично экранирует их от потока основного газового потока и вовлекает в него с ускорением. Скорость впрыскивания вспомогательного газа может превышать, например, скорость впрыскивания капелек жидкости, по меньшей мере, в два раза, предпочтительно в пять раз. Здесь так же, как и в нашем случае, преследуются цели обеспечить, возможно, более равномерное распределение капель жидкости в потоке газа и сохранить неизменным их размер в предполагаемом диапазоне условий, прежде всего, скорости потока рабочей газовой среды. Впрыск жидкости в поток рабочей среды (газа) в этом случае осуществляют сбоку, поперек основного потока, с помощью инжекционных сопел; при этом для стабилизации траекторий капельной жидкости и, возможно, более равномерного внедрения капельной жидкости в газовый поток используют сопутствующий капельной жидкости поток газа, движущегося со скоростью, превышающей скорость потока капельной жидкости минимум в два раза.

Решение, рассматриваемое как наиболее близкий аналог, имеет следующие основные недостатки:

- строго детерминированное сочетание направлений ввода сред и положение их источников не обеспечивает необходимой гибкости варьирования газожидкостного (аэрозольного) потока;

- необходимость разноскоростной подачи сред существенно удорожает оборудование эксперимента;

- неуправляемое взаимодействие разноскоростных потоков вызывает нежелательную турбулизацию результирующего потока аэрозоля на выходе камеры смешивания.

Целью настоящего изобретения является получение и использование в экспериментальной установке потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы, а именно создание в ее исследовательской части непрерывного потока газожидкостного аэрозоля с заданными характеристиками, в частности размером, концентрацией и распределением капель, удовлетворяющих заданным диапазонам значений.

Технический результат настоящего изобретения состоит:

- в возможности получения стабильного потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы, в частности - варьируемыми размерами, концентрацией и распределением капель, удовлетворяющих заданным диапазонам значений, реализуемого в условиях гидродинамической лаборатории;

- в создании установки, в частности генератора аэрозоля, позволяющего реализовать указанный способ, в частности позволяющей наблюдать и исследовать указанный поток визуальными, оптическими и иными методами, а также использовать ее для испытаний оборудования и приборов.

Сущность изобретения

Указанный технический результат достигают в предлагаемом способе за счет раздельной подачи газа и жидкости в камеру смешивания фаз, при этом газ вводят вдоль оси камеры смешивания фаз, одним или несколькими потоками, через сменные сопла, и, варьируя соплами различного поперечного сечения, количеством сопел каждого типоразмера, их расположением, получают необходимое распределение потоков газа; впрыск жидкости выполняют через сменные форсунки с напором, превышающим давление в камере смешивания фаз, с тыльной стороны в осевом направлении и с боков в многочисленных радиальных направлениях; при этом меняя типоразмеры жидкостных форсунок, их количество и расположение, обеспечивают требуемые размеры, концентрацию и распределение капель. На выходе из камеры смешивания фаз контролируют поток газожидкостного аэрозоля, проходящего через камеру стабилизации потока и исследовательский участок системы, визуальными и/или инструментальными средствами на соответствие заданным условиям.

Способ реализуют, используя генератор потока газожидкостного аэрозоля в составе установки для исследований в потоке газожидкостного аэрозоля. Генератор потока газожидкостного аэрозоля содержит три последовательно и соосно установленные камеры, разделенные между собой стенками: тыльная камера подачи жидкости, камера подачи газа, камера смешивания фаз, при этом боковая стенка корпуса камеры смешивания фаз имеет две герметичные оболочки, пространство между которыми служит боковой камерой подачи жидкости; в отверстия в стенке между камерами смешивания фаз и подачи газа вставлены, предпочтительно ввинчены, сменные сопла подачи газа; через камеру подачи газа пропущены трубки, герметично закрепленные по концам в отверстиях в стенках, отделяющих камеру подачи газа от камеры подачи жидкости и камеры смешивания фаз, обеспечивающие подачу жидкости к гильзам с вставленными, предпочтительно ввинченными, в них сменными форсунками, установленными на выходе трубок в пространство камеры смешивания фаз; на внутренней стенке камеры смешивания фаз, с боковой стороны, в резьбовые гнезда, соосные с установочными окнами в наружной стенке, вставлены стаканы, герметично закрываемые снаружи крышками, с установленными в них форсунками, имеющие поперечные сквозные отверстия, через которые к форсункам подводится жидкость, при этом все указанные камеры подачи жидкости и газа снабжены штуцерами для подвода в них жидкости и газа от внешних систем. Внутренняя оболочка боковой стенки камеры смешивания фаз, входящая в его состав, состоит из двух частей: конической и цилиндрической, причем конический участок сужается по направлению к цилиндрическому по ходу потока, и по внутренней оболочке боковой стенки камеры смешивания фаз, входящей в его состав, выполнены кольцевые уступы, служащие каплеотбойниками.

Установка для исследований в потоке газожидкостного аэрозоля, помимо генератора потока, которых может быть один или более, содержит камеру стабилизации потока и исследовательский участок, выполненные по большей части из прозрачного материала для визуального наблюдения и инструментального исследования внешними оптическими устройствами течения двухфазной среды. Исследовательский участок может быть реализован как свободное пространство, в котором может размещаться экспериментальный объект или испытываемое оборудование - между входным и выходным фланцами присоединения к процессу.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая способ смешивания фаз для получения потока газожидкостного аэрозоля в генераторе;

Фиг. 2 - общий вид генератора потока газожидкостного аэрозоля;

Фиг. 3 - базовое исполнение установки для реализации и экспериментального использования способа и устройства для получения потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы;

Фиг. 4 - вариант установки для реализации и экспериментального использования способа и устройства получения потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы с двумя генераторами потока газожидкостного аэрозоля.

Перечень позиций на чертежах:

1 - камера смешивания фаз;

2 - камера подачи газа;

3 - поток газа;

4 - камера подачи жидкости (тыльная);

5 - камера подачи жидкости (боковая);

6 - тыльный поток жидкости;

7 - боковой поток жидкости;

8 - поток газожидкостного аэрозоля (облако газожидкостного аэрозоля);

9 - штуцер подвода газа;

10 - штуцер подвода жидкости в тыльную камеру подачи жидкости;

11 - штуцер подвода жидкости в боковую камеру подачи жидкости;

12 - камера стабилизации потока;

13 - исследовательский участок системы;

14 - генератор потока газожидкостного аэрозоля;

15 - станина;

16 - сменное сопло газа;

17 и 18 - сменные форсунки впрыска жидкости;

19 - трубка подвода жидкости к гильзе с форсункой на тыльной стенке;

20 - стакан с форсункой на боковой стенке;

21 - конический участок камеры смешивания фаз;

22 - цилиндрический участок камеры смешивания фаз;

23 - выступы-каплеотбойники на внутренней поверхности стенки конического участка;

24 - выступы-каплеотбойники на внутренней поверхности стенки цилиндрического участка;

25 - герметичная крышка окна для замены форсунки.

Для получения и использования потока газожидкостного аэрозоля, с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы, в экспериментальной установке применяется генератор газожидкостного аэрозоля (14), в котором в камеру смешивания фаз (1) вводят потоки газа (3) и раздельно впрыскивают в нее струи жидкости (6, 7) в виде капель. Полученное в камере смешивания фаз облако (8) газожидкостного аэрозоля вытесняется в следующую секцию установки - камеру стабилизации потока (12). Эта камера имеет прозрачный корпус, что позволяет наблюдать и изучать поток аэрозоля, в частности позволяет убедиться в достаточности длины этой камеры для обеспечения стабильного распределения фаз по сечению. Далее поток вытесняется в исследовательскую часть (13) установки, предусматривающую возможность герметичной пристыковки оборудования и приборов, подлежащих испытаниям. Если исследовательскую часть (13) в конкретном эксперименте используют для изучения гидродинамических процессов в газожидкостном потоке, она может быть выполнена в виде проточного сосуда, имеющего прозрачный корпус, что позволяет исследовать поток визуальными, оптическими и иными методами.

Генератор потока газожидкостного аэрозоля (14), камера стабилизации потока (12) и исследовательский участок (13) смонтированы на единой станине (15), что в целом образует экспериментальную установку для исследований в потоке газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы.

На Фиг. 1 показана схема, иллюстрирующая основные потоки и функциональные элементы, участвующие в процессе смешивания фаз для получения потока газожидкостного аэрозоля в генераторе. Здесь схематично изображена собственно камера смешивания фаз (1), к которой с тыльной стороны (по потоку рабочих сред) примыкают камера подачи газа (2) и тыльная камера подачи жидкости (4), а по периферии камеру смешивания фаз (1) охватывает боковая камера подачи жидкости (5). Боковая камера подачи жидкости (5) может быть разделена на 2-4 секции. Ко всем камерам подачи газа и жидкости подводят потоки газа и жидкости от внешних систем соответственно через штуцеры подвода газа (9) и штуцеры подвода жидкости (10, 11) (как показано на фигуре). А на выходе из камеры смешивания фаз 1 получают поток газожидкостного аэрозоля (8).

Фиг. 2 раскрывает конструктивное исполнение генератора (14) и соответственно камеры смешивания фаз (1). Помимо элементов, уже представленных на Фиг. 1, здесь показаны: штуцер (9) подвода газа, штуцеры (10) и (11) подвода жидкости, сменные сопла газа (16), сменные форсунки впрыска жидкости (17) и (18), трубки (19) подвода жидкости к гильзам с форсунками (17) на тыльной стороне и стакан (20) подвода жидкости к форсункам (18) на боковой стороне. Боковая стенка камеры смешивания фаз (1) состоит из двух участков: конического (21) и цилиндрического (22). Причем конический участок сужается по направлению к цилиндрическому по ходу потока. На внутренней поверхности стенок конического (21) и цилиндрического (22) участков камеры смешивания фаз (1) имеются кольцевые выступы-каплеотбойники (23) и (24) соответственно. Стаканы (20) служат также приспособлениями для замены форсунок (18) в зависимости от условий эксперимента. Для извлечения стакана (20), в котором зафиксирована форсунка (18), необходимо вывернуть герметичную крышку (25).

На Фиг. 3 и 4 показаны два исполнения экспериментальной установки - с одним и двумя генераторами потока газожидкостного аэрозоля (14). Установка, в общем, состоит из: генераторов (14), которые включают камеры смешивания фаз (1), штуцеры для подвода газа (9) и жидкости (10), (11); камеры стабилизации потока (12), исследовательского участка системы (13), станины (15).

В составе экспериментальной установки в зависимости от задач исследования могут быть смонтированы один, два и более генераторов (14) газожидкостного аэрозоля.

Осуществление изобретения

Газожидкостный поток аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы получают способом, который включает подачу газа (3) и раздельную подачу жидкости (6, 7) в камеру смешивания фаз (1) генератора (14). Из камеры подачи газа (2), вдоль оси камеры смешивания фаз (1) вводят газ одним или несколькими потоками (3) через сменные сопла (16) различного поперечного сечения, которые вставлены, например ввинчены, в стенку между камерами смешивания фаз (1) и подачи газа (2). Варьируя количеством сопел каждого типоразмера, их расположением, величинами поперечных сечений, получают необходимое для данного эксперимента распределение потоков газа. Так, например, экспериментатор имеет возможность, исходя из потребностей конкретного исследования, варьировать типоразмерами сопел и форсунок (в том числе специально спроектированной конфигурации), заменять сопла на заглушки и наоборот, создавая желаемую картину потока в камере смешивания фаз и далее. Наблюдать картину потока, фотографировать его и записывать на видео экспериментатор может через прозрачные стенки камеры стабилизации потока.

Впрыск жидкости выполняют с напором, превышающим давление в камере смешивания фаз, что позволяет внедрить капли жидкости во все пространство камеры; величину потребного превышения напора жидкости над давлением газа в камере смешивания определяют эмпирически и контролируют по картине течения в камере стабилизации потока. Впрыск жидкости выполняют одновременно из тыльной и боковой камер подачи жидкости, соответственно в осевом и многочисленных радиальных направлениях. Для впрыска применяются форсунки ротационного и иного типа, обеспечивающие в зависимости от известных технических параметров форсунок получение капель, удовлетворяющих заданному диапазону размеров.

Впрыск жидкости (6) в осевом направлении осуществляют в направлении газовых потоков, с доставкой жидкости из первой, тыльной камеры подачи жидкости (4), расположенной выше камеры подачи газа (2). Жидкость из тыльной камеры подачи жидкости подают к вставленным, например ввинченным, в соответствующие отверстия в стенке между камерами смешивания фаз (1) и подачи газа (2) цилиндрическим гильзам с вставленными в них сменными форсунками (17), использую трубки (19), проходящие через камеру подачи газа (2) и герметично закрепленные по концам в отверстиях в торцевых стенках камеры подачи газа, отделяющих ее от соседних камер.

Впрыск жидкости (7) в радиальных направлениях осуществляют перпендикулярно газовым потокам, с доставкой жидкости из второй, боковой камеры подачи жидкости (5), образованной между боковой стенкой корпуса камеры смешивания фаз (1) и наружной оболочкой. Жидкость подается в камеру смешивания фаз через сменные форсунки (18), вставленные в цилиндрические стаканы (20), имеющие поперечные сквозные отверстия (через которые жидкость поступает к форсункам) и устанавливаемые в резьбовые гнезда, выполненные на боковой (внутренней) стенке камеры смешивания фаз. Соосно с этими резьбовыми гнездами в наружной стенке камеры выполнены окна, герметично закрываемые снаружи защитными крышками (25), предназначенными для установки, удаления или замены гильз с форсунками (18).

Полученный в камере смешивания фаз поток газожидкостного аэрозоля (8) вытесняется в следующую секцию установки - камеру стабилизации потока (12), которая имеет прозрачный корпус, что позволяет наблюдать и изучать поток аэрозоля, в частности позволяет убедиться в достаточности длины этой камеры для обеспечения стабильного распределения фаз по сечению. Далее поток газожидкостного аэрозоля проходит в исследовательский участок (13) системы, который также может иметь прозрачный корпус и в котором предусмотрена возможность герметичной пристыковки оборудования и приборов, подлежащих испытаниям.

В качестве примера реализации заявляемых Способа и Устройства можно привести варианты исполнения, запроектированные для диапазонов расхода по газу (воздух) 40…160 и 80…320 м³/ч (рабочих). При этом в качестве жидкости рассматривалась вода. Соответствующие характеристики основных компонентов приведены в таблице:

Генератор потока аэрозоля обеспечивает получение двухфазного аэрозоля (жидкость и газ) в виде взвеси капельной жидкости в газе в указанном выше диапазоне объемных содержаний жидкости в газе.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к экспериментальной пневмогидравлике, и может быть использовано при создании стендов для исследований потоков аэрозолей и испытаний измерительных приборов и другого оборудования для мультифазных сред. Способ получения потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы включает раздельную подачу газа и жидкости в камеру смешивания фаз генератора газожидкостного аэрозоля. Газ вводят вдоль оси камеры смешивания фаз, одним или несколькими потоками, через сменные сопла, и, варьируя соплами различного поперечного сечения, количеством сопел каждого типоразмера, их расположением, получают необходимое распределение потоков газа. Впрыск жидкости выполняют через сменные форсунки с напором, превышающим давление в камере смешивания фаз, с тыльной стороны в осевом направлении и с боков в многочисленных радиальных направлениях. Меняя типоразмеры жидкостных форсунок, их количество и расположение, обеспечивают требуемые размеры, концентрацию и распределение капель. На выходе из камеры смешивания фаз контролируют поток газожидкостного аэрозоля, проходящего через камеру стабилизации потока и исследовательский участок системы, визуальными и/или инструментальными средствами на соответствие заданным условиям. Изобретение позволяет получать стабильный поток газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы, в частности варьируемыми размерами, концентрацией и распределением капель, удовлетворяющих заданным диапазонам значений, реализуемый в условиях гидродинамической лаборатории, а также создать установку, в частности, генератора аэрозоля, позволяющую наблюдать и исследовать указанный поток визуальными, оптическими и иными методами, а также использовать ее для испытаний оборудования и приборов. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ получения потока газожидкостного аэрозоля с изменяемой дисперсностью жидкостной фазы, включающий раздельную подачу газа и жидкости в камеру смешивания фаз, отличающийся тем, что
- вводят газ, поступающий из камеры подачи газа, вдоль оси камеры смешивания фаз, одним или несколькими потоками, через сменные сопла, и, варьируя соплами различного поперечного сечения, количеством сопел каждого типоразмера, их расположением, получают необходимое распределение потоков газа;
- выполняют впрыск жидкости через сменные форсунки с напором, превышающим давление в камере смешивания фаз, с тыльной стороны в осевом направлении и с боков в многочисленных радиальных направлениях;
- меняя типоразмеры жидкостных форсунок, их количество и расположение, обеспечивают размеры, концентрацию и распределение капель, наилучшим образом удовлетворяющие условиям эксперимента;
- на выходе из камеры смешивания фаз контролируют поток газожидкостного аэрозоля, проходящего через камеру стабилизации потока и исследовательский участок системы, визуально и/или инструментальными средствами на соответствие заданным условиям.

2. Генератор потока газожидкостного аэрозоля, содержащий три последовательно и соосно установленные камеры, разделенные между собой стенками: тыльную камеру подачи жидкости, камеру подачи газа, камеру смешивания фаз, отличающийся тем, что боковая стенка корпуса камеры смешивания фаз имеет две герметичные оболочки, пространство между которыми служит боковой камерой подачи жидкости; в отверстия в стенке между камерами смешивания фаз и подачи газа вставлены, предпочтительно ввинчены, сменные сопла подачи газа; через камеру подачи газа пропущены трубки, герметично закрепленные по концам в отверстиях в стенках, отделяющих камеру подачи газа от камеры подачи жидкости и камеры смешивания фаз, обеспечивающие подачу жидкости к гильзам с вставленными, предпочтительно ввинченными, в них сменными форсунками, установленными на выходе трубок в пространство камеры смешивания фаз; на внутренней стенке камеры смешивания фаз, с боковой стороны, в резьбовые гнезда, соосные с установочными окнами в наружной стенке, вставлены стаканы, герметично закрываемые снаружи крышками, с установленными в них форсунками, имеющие поперечные сквозные отверстия, через которые к форсункам подводится жидкость, при этом все указанные камеры подачи жидкости и газа снабжены штуцерами для подвода в них жидкости и газа от внешних систем.

3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность боковой стенки камеры смешивания фаз, входящая в его состав, состоит из двух частей: конической и цилиндрической, причем конический участок сужается по направлению к цилиндрическому по ходу потока.

4. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что по внутренней поверхности боковой стенки камеры смешивания фаз, входящей в его состав, выполнены кольцевые уступы, служащие каплеотбойниками.

5. Установка для исследований в потоке газожидкостного аэрозоля, получаемого по п. 1, включающая один или более генератор потока газожидкостного аэрозоля по п. 2, камеру стабилизации потока и исследовательский участок, отличающаяся тем, что камера стабилизации потока и исследовательский участок выполнены, по большей части, из прозрачного материала, в обеспечение визуального наблюдения и инструментального исследования внешними оптическими устройствами течения двухфазной среды.