Способ гидровихревого кинематического пылеподавления и устройство для его реализации Российский патент 2020 года по МПК E21F5/04 B05B1/34 B05B7/00 

Изобретение относится к способам повышения эффективности кинематического гидровихревого пылеподавления и устройствам для их реализации, т.е. гидровихревым кинематическим форсункам, применяемым для распыления жидкости, и может быть использовано для пылеподавления на горных предприятиях в условиях образования мелкодисперсных взрывоопасных пылевых смесей.

Известен способ пылеподавления, реализуемый центробежной форсункой с попутными вихревыми потоками, предназначенной для распыления жидкости, растворов состоящей из корпуса с камерой завихрения и соплом, корпус выполнен в виде штуцера с отверстием для подвода жидкости из магистрали, и жестко соединенной с ним цилиндрической, соосной гильзой, а соосно корпусу, в его нижней части, подсоединено сопло, выполненное в виде центробежного завихрителя первой ступени в виде цилиндрической полости с, по крайней мере, тремя тангенциальными вводами в виде цилиндрических отверстий, а над центробежным завихрителем первой ступени установлена вихревая коническая камера с жестко закрепленным в ней соосным шнеком, который является второй ступенью завихрителя жидкости, при этом центробежный завихритель через полость, соединенную с центральным дросселем, соединен с вихревой конической камерой в ее нижней части, при этом в верхней части коническая камера имеет, по крайней мере, три тангенциальных ввода в виде цилиндрических отверстий, тангенциально расположенных к ее внутренней поверхности, а подвод рабочего тела к тангенциальным вводам осуществляется посредством, по крайней мере, трех цилиндрических отверстий, соединенных с тангенциальными вводами под прямым углом, и оси которых параллельны оси сопла, причем эти отверстия соединены с цилиндрической камерой, расположенной над крышкой конической камеры, перпендикулярно ее оси, при этом над цилиндрической камерой расположен обтекатель, выполненный в виде усеченного конуса с центральным отверстием, соединенным одновременном с цилиндрической камерой и отверстием корпуса для подвода жидкости из магистрали, а между боковой конической поверхностью обтекателя и внутренней конической поверхностью корпуса в месте соединения его с гильзой имеется зазор в виде конического кольца, при этом центробежный завихритель установлен в корпусе с образованием кольцевой цилиндрической камеры для подвода жидкости к тангенциальным вводам центробежного завихрителя, цилиндрическая полость которого соединена с выходной конической камерой сопла (Пат. РФ № 2479359 от 27.12.2011 «Центробежная форсунка с попутными вихревыми потоками»).

Однако данный способ не обеспечивает в полной мере широкого и мелкодисперсного факела распыливаемой жидкости.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения эффективности пылеподавления путем закручивания мелкодисперсных капель жидкости, и увеличению краевого угла смачивания, является способ пылеподавления, реализуемый центробежной форсункой со встречно-закрученными потоками типа ВЗП, состоящей из корпуса с камерами завихрения и соплом, корпус выполнен в виде штуцера с отверстием для подвода жидкости из магистрали, и жестко соединенной с ним цилиндрической, соосной гильзой с внешней резьбой, в которой последовательно расположены коническая и цилиндрическая полости, соосные с отверстием для подвода жидкости, а соосно корпусу, в его нижней части, подсоединено сопло, выполненное в виде двухступенчатого центробежного цилиндрического завихрителя, соединенного с выходной конической камерой сопла и отделенного от отверстия для подвода жидкости перфорированной перегородкой, закрепленной на торцевой поверхности корпуса завихрителя, обращенной в сторону подвода жидкости, при этом первая ступень завихрителя расположена в его верхней части и включает цилиндрическую камеру, с соосно размещенным в ней штоком, и с закрепленной на нем винтовой пластиной, при этом шток закреплен в центре перфорированной перегородки, а вторая ступень завихрителя расположена соосно с первой и образована кольцевой цилиндрической камерой, соединенной последовательно с цилиндрической камерой первой ступени завихрителя и снабженной тангенциальными вводами для подвода жидкости через цилиндрическую кольцевую полость, образованную корпусом завихрителя и цилиндрической полостью гильзы (Пат. РФ № 2479361 от 18.01.2012 «Центробежная форсунка со встречно-закрученными потоками типа ВЗП»).

Данный способ повышения эффективности пылеподавления обеспечивает выполнение дробления суммарного потока и превращает его в мелкодисперсный поток за счет того, что изменены направления крутки у завихрителей первой и второй ступеней на противоположные. Получение мелкодисперсной фазы происходит за счет дробления капель жидкости в двух в противоположных направлениях вихрях конической камеры сопла.

Однако вышеуказанный способ не в полной мере обеспечивает требуемую эффективность центробежной форсунки, поскольку, не смотря на увеличение факела распыла и мелкодисперсности распыливаемой жидкости, капли жидкости так и остаются не закрученными. Отсутствие вращательного движения капли жидкости снижает фактическое эффективное значение критериев Стокса и Рейнольдса в зоне контакта, способствуя повышению величины поверхностно-адгезионного энергетического барьера и критического уровня аэродинамического энергетического барьера. По этой причине способ, реализуемый в данном изобретении, не позволяет существенно улучшить эффективность пылеподавления.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в снижении аэродинамического энергетического барьера в процессе контакта вращающихся капель жидкости с частицами пыли и тем самым повышение эффективности пылеулавливания и пылеподавления гидрофобных частиц пыли с медианным диаметром менее 5·10^-6 м. Частицы данного размера наиболее взрывоопасны, а также способствуют заболеванию дыхательных путей. Именно закрутка мелкодисперсных капель жидкости на выходе из гидровихревой кинематической форсунке, создаваемая за счет взаимно противоположного направления вращения жидкости на поверхности их соприкосновения за счет тангенсальных напряжений, обусловленных ее вязкостью и диффузией завихренностей, позволяет существенно повысить эффективность коагуляции.

Задачей изобретения является повышение эффективности пылеподавления. Это достигается тем, что предлагаемый способ гидровихревого кинематического пылеподавления увеличивает краевой угол смачивания, позволяя улавливать взрывоопасные гидрофобные частицы пыли за счет гидровихревой кинематической коагуляции, путем закручивания вокруг вектора поступательной скорости мелкодисперсных капель жидкости.

В прототипе повышение эффективности пылеподавления обеспечивается за счет выполнения дробления суммарного потока и превращения его в мелкодисперсный поток за счет того, что изменены направления крутки у завихрителей первой и второй ступеней на противоположные. Получение мелкодисперсной фазы происходит за счет дробления капель жидкости в двух в противоположных направления вихрях конической камеры сопла.

Однако способ не в полной мере обеспечивает требуемую эффективность центробежной форсунки, поскольку, несмотря на увеличение факела распыла и мелкодисперсности распыливаемой жидкости, капли жидкости так и остаются не закрученными.

Техническим результатом использования данного изобретения является:

- снижение аэродинамического энергетического барьера в процессе контакта вращающихся капель жидкости с частицами пыли;

- повышение эффективности коагуляции;

- повышение эффективности пылеулавливания и пылеподавления гидрофобных частиц пыли с медианным диаметром менее 5·10^-6 м, что ведет к снижению взрывоопасности и способствуют к снижению заболеваний дыхательных путей.

Задача изобретения решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе гидровихревого кинематического пылеподавления, включающего в себя подачу жидкости под давлением в полость гидровихревой кинематической форсунки, разделение ее на два равных по объему потока, раздельную подачу равных объемов жидкости в ступени двухступенчатого завихрителя с взаимно противоположным направлением закрутки относительно оси полости, закручивание разделенных объемов жидкости на первой и второй ступенях завихрителя в устойчивое вихревое движение с взаимно противоположным направлением векторов угловой скорости их вращения, дробление завихренных потоков, с превращением в мелкодисперсный поток жидкости, за счет энергии кинетических моментов вращательного движения противоположно направленных вихревых потоков жидкости при их столкновении, направление с поступательной скоростью мелкодисперсного потока из завихрителя, через кольцевую коническую камеру сопла на выход из гидровихревой кинематической форсунки, при этом капли мелкодисперсного потока жидкости на выходе из кольцевой конической камеры сопла закручивают вокруг их вектора поступательной скорости, сообщая им собственный момент количества движения.

Гидровихревая кинематическая форсунка, реализующая способ гидровихревого кинематического пылеподавления, содержащая корпус, выполненный в виде штуцера с отверстием для подвода жидкости из магистрали, и жестко соединенной с ним цилиндрической, соосной гильзой с внешней резьбой, в которой последовательно расположены коническая и цилиндрическая полости, соосные с отверстием для подвода жидкости, а соосно корпусу, в его нижней части, подсоединено сопло, выполненное в виде двухступенчатого центробежного завихрителя, соединенного с выходной конической камерой сопла и отделенного от отверстия для подвода жидкости перфорированной перегородкой, закрепленной на торцевой поверхности корпуса завихрителя, обращенной в сторону подвода жидкости, при этом первая ступень завихрителя расположена в его верхней части и включает цилиндрическую камеру, с соосно размещенным в ней штоком, и с закрепленной на нем винтовой пластиной, при этом шток закреплен в центре перфорированной перегородки, а вторая ступень завихрителя расположена соосно с первой в цилиндрической кольцевой камере, соединенной последовательно с цилиндрической камерой первой ступени завихрителя, при этом вторая ступень завихрителя выполнена в виде осетангенциального лопаточного направляющего аппарата, закрепленного на обечайке корпуса завихрителя и обечайке выходной конической камеры сопла, а выходная коническая камера выполнена в виде осесимметричного кольцевого комфузорного канала, кольцевой вход в который расположен соосно и симметрично торцу обечайки корпуса завихрителя и установлен последовательно за выходом из осетангециального лопаточного направляющего аппарата и цилиндрической кольцевой камеры, а кольцевой выход из него имеет толщину, не превышающую критический уровень устойчивости жидкости к разрушению и образованию капель под действием аэродинамических сил.

На фиг.1 представлена схема гидровихревой кинематической форсунки, реализующая предложенный способ гидровихревого кинематического пылеподавления.

На фиг. 2 представлен вид снизу гидровихревой кинематической форсунки.

Гидровихревая кинематическая форсунка содержит корпус 1, выполненный в виде штуцера с отверстием 2 для подвода жидкости из магистрали, и жестко соединенной с ним цилиндрической, соосной гильзой 3 с внешней резьбой, в которой последовательно расположены коническая 4 и цилиндрическая 5 полости, соосные с отверстием 2 для подвода жидкости, а соосно корпусу 1 в его нижней части, подсоединено сопло 6, выполненное в виде двухступенчатого центробежного завихрителя 7, соединенного с выходной конической камерой 8 сопла 6 и отделенного от отверстия 2 для подвода жидкости перфорированной перегородкой 9, закрепленной на торцевой поверхности корпуса завихрителя 7, обращенной в сторону подвода жидкости, при этом первая ступень завихрителя 7 расположена в его верхней части и включает цилиндрическую камеру 10, с соосно размещенным в ней штоком 11, и с закрепленной на нем винтовой пластиной, при этом шток 11 закреплен в центре перфорированной перегородки 9, а вторая ступень завихрителя 7 расположена соосно с первой в цилиндрической кольцевой камере 12, соединенной последовательно с цилиндрической камерой 10 первой ступени завихрителя и выполнена в виде осетангенциального лопаточного направляющего аппарата 13, закрепленного на обечайке 14 корпуса завихрителя 7 и обечайке 15 выходной конической камеры 8 сопла 6, а выходная коническая камера 8 выполнена в виде осесимметричного кольцевого комфузорного канала 16, кольцевой вход 17 в который расположен соосно и симметрично торцу 18 обечайки 14 корпуса завихрителя 7 и установлен последовательно за выходом из осетангециального лопаточного направляющего аппарата 13 и цилиндрической кольцевой камеры 12, а кольцевой выход 19 из него имеет толщину, не превышающую критический уровень устойчивости жидкости к разрушению и образованию капель под действием аэродинамических сил.

На фиг. 3 представлена схема гидровихревой кинематической форсунки, реализующая предложенный способ гидровихревого кинематического пылеподавления, которую для повышения ее эффективности могут быть установлены на выходе из кольцевого комфузорного канала завихрители 20 (Фиг. 4) в виде зеркально симметричных пространственных спиралей Архимеда соответственно взаимно противоположному направлению вращательного движения жидкости.

Толщина кольцевого выхода определяется по формуле , где С – коэффициент сопротивления воздействия среды при формировании капель; W_e – критическое значение критерия Вебера; d_ж – диаметр капли жидкости.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в снижении аэродинамического энергетического барьера в процессе контакта вращающихся капель жидкости с частицами пыли и тем самым повышение эффективности пылеулавливания и пылеподавления гидрофобных частиц пыли с медианным диаметром менее 5·10^-6 м. Частицы данного размера наиболее взрывоопасны, а также способствуют заболеванию дыхательных путей. Именно закрутка мелкодисперсных капель жидкости на выходе из гидровихревой кинематической форсунке, создаваемая за счет взаимно противоположного направления вращения жидкости на поверхности их соприкосновения за счет тангенсальных напряжений, обусловленных ее вязкостью и диффузией завихренностей, позволяет существенно повысить эффективность коагуляции.

Способ гидровихревого кинематического пылеподавления, включающий в себя подачу жидкости под давлением в полость гидровихревой форсунки, разделение ее на два равных по объему потока, подачу в двухступенчатый завихритель с взаимно противоположным направлением закрутки потока относительно оси полости гидровихревой форсунки, дробление завихренных потоков жидкости, с превращением в мелкодисперсный поток, за счет энергии кинетических моментов противоположно направленных вихревых потоков жидкости при их столкновении, направление с поступательной скоростью мелкодисперсного потока из завихрителя, через коническую камеру сопла, на выход из гидровихревой форсунки, при этом мелкодисперсные капли распыляемой жидкости на выходе из сопла закручивают вокруг их вектора поступательной скорости, сообщая им момент количества движения.

Таким образом, технический результат повышения эффективности пылеподавления достигается за счет гидровихревой кинематической коагуляции, путем закручивания вокруг вектора поступательной скорости мелкодисперсных капель жидкости, что существенно увеличивает краевой угол смачивания, позволяя улавливать взрывоопасные гидрофобные частицы пыли.

Применение данного изобретения позволит снизить минимальный размер поглощаемой пыли в четыре раза, повысить эффективность пылеулавливания до 99 % при одновременном снижении расхода воды на 20 % по сравнению с классическим высоконапорным гидрообеспыливанием.

Предложенная технология пылеподавления может быть использована на горных предприятиях в условиях образования мелкодисперсных взрывоопасных пылевых смесей.

Изобретение относится к способу гидровихревого кинематического пылеподавления и устройству для его реализации, применяемым для распыления жидкости. Способ включает подачу жидкости под давлением в полость гидровихревой кинематической форсунки, разделение ее на два равных по объему потока, раздельную подачу равных объемов жидкости в ступени двухступенчатого завихрителя с взаимно противоположным направлением закрутки относительно оси полости, закручивание разделенных объемов жидкости на первой и второй ступенях завихрителя в устойчивое вихревое движение с взаимно противоположным направлением векторов угловой скорости их вращения. Далее дробление завихренных потоков, с превращением в мелкодисперсный поток жидкости, за счет энергии кинетических моментов вращательного движения противоположно направленных вихревых потоков жидкости при их столкновении, направление с поступательной скоростью мелкодисперсного потока из завихрителя, через кольцевую коническую камеру сопла на выход из гидровихревой кинематической форсунки. Причем капли мелкодисперсного потока жидкости на выходе из кольцевой конической камеры сопла закручивают вокруг их вектора поступательной скорости, сообщая момент количества движения. Технический результат заключается в снижении аэродинамического энергетического барьера в процессе контакта вращающихся капель жидкости с частицами пыли, повышении эффективности коагуляции и эффективности пылеулавливания и пылеподавления гидрофобных частиц пыли с медианным диаметром менее 5·10^-6 м, что ведет к снижению взрывоопасности и способствует снижению заболеваний дыхательных путей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ гидровихревого кинематического пылеподавления, включающий в себя подачу жидкости под давлением в полость гидровихревой кинематической форсунки, разделение ее на два равных по объему потока, раздельную подачу равных объемов жидкости в ступени двухступенчатого завихрителя с взаимно противоположным направлением закрутки относительно оси полости, закручивание разделенных объемов жидкости на первой и второй ступенях завихрителя в устойчивое вихревое движение с взаимно противоположным направлением векторов угловой скорости их вращения, дробление завихренных потоков, с превращением в мелкодисперсный поток жидкости, за счет энергии кинетических моментов вращательного движения противоположно направленных вихревых потоков жидкости при их столкновении, направление с поступательной скоростью мелкодисперсного потока из завихрителя, через кольцевую коническую камеру сопла на выход из гидровихревой кинематической форсунки, отличающийся тем, что капли мелкодисперсного потока жидкости на выходе из кольцевой конической камеры сопла закручивают вокруг их вектора поступательной скорости, сообщая момент количества движения.

2. Гидровихревая кинематическая форсунка, реализующая способ гидровихревого кинематического пылеподавления по п.1, содержащая корпус, выполненный в виде штуцера с отверстием для подвода жидкости из магистрали, и жестко соединенной с ним цилиндрической соосной гильзой с внешней резьбой, в которой последовательно расположены коническая и цилиндрическая полости, соосные с отверстием для подвода жидкости, а соосно корпусу, в его нижней части, подсоединено сопло, выполненное в виде двухступенчатого центробежного завихрителя, соединенного с выходной конической камерой сопла и отделенного от отверстия для подвода жидкости перфорированной перегородкой, закрепленной на торцевой поверхности корпуса завихрителя, обращенной в сторону подвода жидкости, при этом первая ступень завихрителя расположена в его верхней части и включает цилиндрическую камеру, с соосно размещенным в ней штоком, и с закрепленной на нем винтовой пластиной, при этом шток закреплен в центре перфорированной перегородки, а вторая ступень завихрителя расположена соосно с первой в цилиндрической кольцевой камере, соединенной последовательно с цилиндрической камерой первой ступени завихрителя, отличающаяся тем, что вторая ступень завихрителя выполнена в виде осетангенциального лопаточного направляющего аппарата, закрепленного на обечайке корпуса завихрителя и обечайке выходной конической камеры сопла, а выходная коническая камера выполнена в виде осесимметричного кольцевого комфузорного канала, кольцевой вход в который расположен соосно и симметрично торцу обечайки корпуса завихрителя и установлен последовательно за выходом из осетангециального лопаточного направляющего аппарата и цилиндрической кольцевой камеры, а кольцевой выход из него имеет толщину, не превышающую критический уровень устойчивости жидкости к разрушению и образованию капель под действием аэродинамических сил, которая определяется по формуле: ,

где С – коэффициент сопротивления воздействия среды при формировании капель; W_e – критическое значение критерия Вебера; d_ж – диаметр капли жидкости.

3. Гидровихревая кинематическая форсунка по п.2, отличающаяся тем, что на выходе из кольцевого комфузорного канала установлены завихрители в виде зеркально симметричных пространственных спиралей Архимеда соответственно взаимно противоположному направлению вращательного движения жидкости.