ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2023 года по МПК F23D11/10 

Изобретение относится к технике распыления жидкости, например, жидкого топлив, а именно к форсункам с непосредственным впрыскиванием жидкого топлива в пространство сгорания в капельном состоянии и может быть использовано в различных направлениях производственной деятельности, в двигателестроении, химической и пищевой отраслях, в топливосжигающих агрегатах.

Известна форсунка для распыливания вязких жидкостей [RU 2253802 C1, МПК F23D11/12 (2000.01), опубл. 10.06.2005], содержащая корпус с центральным топливным каналом и коаксиальным кольцевым каналом подачи распылителя, подключенными к камере смешения, часть которой выполнена конической формы. Кольцевой ряд аксиальных каналов первичного распылителя и кольцевой ряд каналов вторичного распылителя подключены на входе к коаксиальному кольцевому каналу подачи распылителя, а на выходе соответственно к соплам первичного распылителя и соплам вторичного распылителя. По окружности на выходе конической части камеры выполнены сопла третичного распылителя, при этом сопла третичного распылителя установлены под углом δ≥15° относительно вертикальной оси форсунки и под углом φ≥15° относительно ее плоскости.

Недостатками известной форсунки являются неудовлетворительная дисперсность распыла (~200 мкм), а также большой угол раскрытия факела (до 160°).

Известна форсунка для распыливания вязких жидкостей [RU 2039910 C1, МПК F23D11/10 (1995.01), опубл.: 20.07.1995], содержащая корпус с центральным топливным каналом и коаксиальным кольцевым каналом подачи распылителя, подключенными к камере смешения, а также радиальные сопла первичного распылителя и сопла вторичного распылителя, сообщающие кольцевой канал с камерой смешения. В корпусе выполнен кольцевой ряд аксиальных каналов, подключенных на входе к камере смешения, а на выходе - к радиальным соплам первичного распылителя, продольные оси которых расположены на расстоянии от выходного среза топливного канала, превышающем их диаметр в 1,5-3,0 раза. Выходные срезы указанных радиальных сопл расположены от оси корпуса на расстоянии, превышающем их диаметр в 4-6 раз. Сопла вторичного распылителя выполнены аксиальными и смещены в окружном направлении относительно аксиальных каналов, при этом их продольные оси расположены от оси корпуса на расстоянии, превышающем их диаметр в 1,5-3,0 раза.

Недостатками известной форсунки являются неудовлетворительная дисперсность распыла (~200 мкм).

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств для распыления вязких жидкостей.

Предложенная форсунка для распыления вязких жидкостей, также как в прототипе, содержит корпус с коаксиальным кольцевым каналом подачи распылителя и центральный топливный канал.

Согласно изобретению, корпус форсунки образован двумя цилиндрами разных внешних диаметров так, что торец цилиндра меньшего диаметра через центральное отверстие в заглушенном торце цилиндра большего внешнего диаметра присоединен к нему, причем внутренний диаметр цилиндров одинаков. Внешний торец цилиндра большего диаметра снабжен крышкой. В корпус, вплотную к его внутренним стенкам, коаксиально вставлен удлиненный цилиндрический элемент, внутри которого выполнен топливный канал. Один конец удлиненного цилиндрического элемента выступает наружу из корпуса и служит для подачи топлива под давлением. В средней части удлиненный цилиндрический элемент выполнен с выступом, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса. Другой конец удлиненного цилиндрического элемента, расположенный внутри цилиндра большего внешнего диаметра, выполнен с выступом в виде усеченного с двух сторон вытянутого эллипсоида вращения, внешний торец которого срезан внутрь, образуя закругленный край. Между внешними поверхностями удлиненного цилиндрического элемента и внутренними поверхностями корпуса образована полость, которая через первый штуцер на боковой стенке корпуса соединена с емкостью, наполненной первичным распылителем под давлением. Выступающая часть корпуса в виде цилиндра большего внешнего диаметра, выполнена сплошной с внутренним кольцевым коаксиальным каналом, который вторым штуцером в боковой части корпуса соединен с емкостью, наполненной вторичным распылителем под давлением. В крышке корпуса напротив закругленного края торца удлиненного цилиндрического элемента выполнено отверстие в виде усеченного конуса, радиус которого на внешней поверхности крышки меньше радиуса на внутренней поверхности крышки на величину, равную толщине крышки, с образованием кольцевого зазора между закругленным краем удлиненного элемента и крышкой корпуса для выхода наружу первичного распылителя. По окружности крышки, на равном расстоянии между собой и от центра топливного канала, выполнено n отверстий, каждое из которых соединено с кольцевым коаксиальным каналом своим канальцем, параллельным оси топливного канала.

За счет деления потока распылителя на два (первичный и вторичный) осуществляется поэтапное дробление выходящего из топливного канала потока топлива, чем достигается максимальное взаимодействие топлива и распылителя, обеспечивающее его качественный распыл, приближая его к монодисперсному мелкому состоянию. Дополнительно достигается увеличение скорости движения капель топлива, а также снижение значений углов раскрытия струи и ее отклонения от первоначальной траектории.

Увеличение объемной доли мелких капель в потоке обеспечивает более быстрое зажигание капель топлива в камерах сгорания, так как известно, что чем меньше размер капли, тем меньше значение времени задержки зажигания [V. Salomatov, G. Kuznetsov, S. Syrodoy, N. Gutareva, Effect of high-temperature gas flow on ignition of the water-coal fuel particles, Combust. Flame. 203 (2019) 375-385].

Увеличение скорости движения капель обеспечивает более быстрое заполнение камеры сгорания распыленным топливом.

Уменьшение угла раскрытия струи необходимо при использовании предтопков для предварительного нагрева капель перед их подачей в основную камеру сгорания. Если предтопок представляет собой цилиндрический протяженный канал, то большой угол раскрытия струи приводит к оседанию большой части капель на его стенках. Уменьшение угла отклонения струи от первоначальной траектории обеспечивает прогнозируемое распыление, так как при большом значении угла отклонения часть капель, вследствие изменения своей траектории, будет оседать в нижней части.

На фиг. 1 показан внешний вид форсунки для распыления вязких жидкостей.

На фиг. 2 представлен продольный разрез форсунки для распыления вязких жидкостей А-А, вид сбоку и поперечный разрез В-В.

На фиг. 3 приведена схема распыления вязкой жидкости.

В таблице 1 (см. графическую часть) приведены результаты распыления вязкой жидкости - водоугольного топлива.

Форсунка содержит корпус, образованный двумя цилиндрами разных внешних диаметров так, что торец цилиндра меньшего диаметра 1 (фиг. 1) через центральное отверстие в заглушенном торце цилиндра большего внешнего диаметра 2 присоединен к нему. Внутренний диаметр цилиндров 1 и 2 одинаков. Внешний торец цилиндра большего диаметра 2 снабжен крышкой 3.

В корпус, вплотную к его внутренним стенкам, коаксиально вставлен удлиненный цилиндрический элемент (фиг. 2), внутри которого выполнен топливный канал 4. Один конец удлиненного цилиндрического элемента выступает наружу из корпуса и служит для подачи топлива под давлением. В средней части удлиненный цилиндрический элемент выполнен с выступом, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндров 1 и 2. Другой конец удлиненного цилиндрического элемента, расположенный внутри цилиндра большего внешнего диаметра 2, выполнен с выступом в виде усеченного с двух сторон вытянутого эллипсоида вращения 6, внешний торец которого срезан внутрь, образуя закругленный край.

Между внешними поверхностями удлиненного цилиндрического элемента и внутренними поверхностями корпуса образована полость 7, которая через первый штуцер 8 на боковой стенке корпуса соединена с емкостью, наполненной первичным распылителем под давлением, например, воздухом.

В крышке 3 корпуса, напротив закругленного края торца удлиненного цилиндрического элемента, выполнено отверстие 9 так, что образован кольцевой зазор между закругленным краем удлиненного элемента и крышкой 3 корпуса для выхода наружу первичного распылителя.

Отверстие 9 в крышке корпуса выполнено в виде усеченного конуса так что его радиус на внешней поверхности крышки 3, меньше его радиуса на внутренней поверхности крышки 3 на величину, равную толщине крышки 3.

Выступающая часть корпуса в виде цилиндра большего внешнего диаметра, выполнена сплошной с внутренним кольцевым коаксиальным каналом 10, который вторым штуцером 11 в боковой части корпуса соединен с емкостью, наполненной вторичным распылителем под давлением. В качестве вторичного распылителя может быть использован воздух.

В крышке 3 по окружности, на равном расстоянии между собой и от центра топливного канала 4 напротив кольцевого коаксиального канала 10 выполнено n отверстий 12, каждое из которых соединено с кольцевым коаксиальным каналом 10 своим канальцем 13, выполненным параллельно оси топливного канала 4. Количество отверстий 12 выполняют исходя из значений требуемого массового расхода вторичного распылителя, например, четыре, как представлено на фиг. 1.

Форсунка работает следующим образом. По центральному топливному каналу 2 подают вязкое топливо, например, водоугольное топливо, с массовым расходом в диапазоне 100-500 кг/ч. Первичный распылитель, например, воздух, подают из штуцера 8 первичного распылителя с массовым расходом 35-70 кг/ч одновременно с подачей вторичного распылителя, например, воздуха, из штуцера 11 вторичного распылителя с расходом 20-50 кг/ч. При этом поток распылителя, истекающий из отверстия 9, создает нагнетание распылителя, что приводит к первичному дроблению выходящей из топливного канала 4 струи топлива на капли. Образовавшийся в результате первичного дробления капельный поток на расстоянии около 80-100 мм от крышки 3 форсунки подвергается вторичному дроблению за счет взаимодействия со струями вторичного распылителя, выходящими из отверстий 12. В результате такого взаимодействия крупные (более 100 мкм) капли дробятся на более мелкие, скорость движения капель увеличивается. Дополнительно за счет воздействия на распыленный поток топлива группой струй вторичного распылителя, выходящих из отверстий 12, уменьшается угол отклонения струи от первоначальной траектории - поток стабилизируется, а также снижается угол раскрытия струи.

Для численной оценки значений характеристик распыления (объемная доля мелких капель, скорости движения капель, угол раскрытия струи, угол отклонения струи от первоначальной траектории) проведен цикл экспериментов. Эксперименты выполняли для случаев, когда вторичный распылитель не использовали, а также при его использовании (подаче воздуха). В качестве жидкости для распыления использовали 3 состава водоугольных топлив. Первый состав представлял собой смесь водопроводной воды и отхода углеобогащения - фильтр-кека угля марки Д (массовая концентрация каждого компонента составляла 50%). Второй состав представлял собой смесь водопроводной воды, отхода углеобогащения - фильтр-кека угля марки Д и рапсового масла (массовая концентрация компонентов составляла 45:50:5%). Третий состав представлял собой смесь водопроводной воды, отхода углеобогащения - фильтр-кека угля марки Д и опилок (массовая концентрация компонентов составляла 50:45:5%). Водоугольное топливо подавали через топливный канал 4 с массовым расходом 140 кг/ч. Воздух, как первичный и вторичный распылители, подавали через первый 8 и второй 11 штуцеры по гибким шлангам, подключенным к выходам ресиверов воздушных компрессоров «PATRIOT EURO 24/240» (тип - поршневой масляный; рабочее давление - 0.1-0.8 МПа; объем ресивера - 24 л). Для регистрации характеристик распыления использовали систему видеорегистрации, которая включала в себя: прожектор «Multiled PT-V9 GS Vitec» (количество светодиодов - 24; световой поток - 7700 Лм; мощность - 84 Вт, угол рассеивания - 30°); высокоскоростную видеокамеру «Phantom MIRO M310» (разрешение 1280×800 пикселей; частота съемки - 3200 кадров в секунду; время экспозиции - 1 мкс; разрядность изображения - 12 бит); набор объективов: «SIGMA 50 mm 1:2.8D MACRO EX» (фокусное расстояние - 50 мм, относительное отверстие - 2.8); «Nikon Micro-Nikkor 200mm f/4D ED-IF A» (фокусное расстояние - 200 мм, относительное отверстие - 4). Одновременно с подачей водоугольного топлива, с помощью персонального компьютера, запускали видеорегистрацию процесса распыления топлива, используя высокоскоростную видеокамеру, и производили подсветку области вокруг капель водоугольного топлива, используя светодиодный прожектор, установленный напротив видеокамеры. Полученные видеоизображения передавали в персональный компьютер, где выполнялась их обработка, в ходе которой определялись характеристики распыления. Использовали программное обеспечение: «Phantom Camera Control» и «ActualFlow». Обработка данных осуществлялась по аналогии с описанной в [G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, T.R. Valiullin, R.S. Volkov, Atomization behavior of composite liquid fuels based on typical coal processing wastes, Fuel Process. Technol. 225 (2022) 107037].

В таблице 1 приведены значения установленных по результатам экспериментов характеристик распыления водоугольного топлива. Результаты исследований характеристик распыления водоугольного топлива (объемная доля мелких капель, скорости движения капель, угол раскрытия струи, угол отклонения струи от первоначальной траектории), полученные с помощью метода высокоскоростной видеорегистрации, позволяют осуществить сравнительный анализ характеристик распыления водоугольного топлива без использования, а также при использовании вторичного распылителя. Так видно, что использование форсунки с вторичным распылителем приводит к увеличению объемной доли мелких капель в потоке, увеличению скорости движения капель, уменьшению угла отклонения струи от первоначальной траектории, а также угла раскрытия струи.

Изобретение относится к технике распыления жидкости, а именно к форсункам с непосредственным впрыскиванием жидкого топлива в пространство сгорания в капельном состоянии, и может быть использовано в различных направлениях производственной деятельности, в двигателестроении, химической и пищевой отраслях, в топливосжигающих агрегатах. Форсунка для распыления вязких жидкостей содержит корпус, который образован двумя цилиндрами разных внешних диаметров так, что торец цилиндра меньшего диаметра через центральное отверстие в заглушенном торце цилиндра большего внешнего диаметра присоединен к нему, причем внутренний диаметр цилиндров одинаков. Внешний торец цилиндра большего диаметра снабжен крышкой. В корпус, вплотную к его внутренним стенкам, коаксиально вставлен удлиненный цилиндрический элемент, внутри которого выполнен топливный канал. Один конец удлиненного цилиндрического элемента выступает наружу из корпуса и служит для подачи топлива под давлением. В средней части удлиненный цилиндрический элемент выполнен с выступом, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса. Другой конец удлиненного цилиндрического элемента, расположенный внутри цилиндра большего внешнего диаметра, выполнен с выступом в виде усеченного с двух сторон вытянутого эллипсоида вращения, внешний торец которого срезан внутрь, образуя закругленный край. Между внешними поверхностями удлиненного цилиндрического элемента и внутренними поверхностями корпуса образована полость, которая через первый штуцер на боковой стенке корпуса соединена с емкостью, наполненной первичным распылителем под давлением. Выступающая часть корпуса в виде цилиндра большего внешнего диаметра, выполнена сплошной с внутренним кольцевым коаксиальным каналом, который вторым штуцером в боковой части корпуса соединен с емкостью, наполненной вторичным распылителем под давлением. В крышке корпуса напротив закругленного края торца удлиненного цилиндрического элемента выполнено отверстие в виде усеченного конуса, радиус которого на внешней поверхности крышки меньше радиуса на внутренней поверхности крышки на величину, равную толщине крышки, с образованием кольцевого зазора между закругленным краем удлиненного элемента и крышкой корпуса для выхода наружу первичного распылителя. По окружности крышки, на равном расстоянии между собой и от центра топливного канала, выполнено n отверстий, каждое из которых соединено с кольцевым коаксиальным каналом своим канальцем, параллельным оси топливного канала. Технический результат - расширение арсенала технических средств для распыления вязких жидкостей. 3 ил., 1 табл.

Форсунка для распыления вязких жидкостей, содержащая корпус с коаксиальным кольцевым каналом подачи распылителя и центральный топливный канал, отличающаяся тем, что корпус образован двумя цилиндрами разных внешних диаметров так, что торец цилиндра меньшего диаметра через центральное отверстие в заглушенном торце цилиндра большего внешнего диаметра присоединен к нему, причем внутренний диаметр цилиндров одинаков, а внешний торец цилиндра большего диаметра снабжен крышкой, при этом в корпус, вплотную к его внутренним стенкам, коаксиально вставлен удлиненный цилиндрический элемент, внутри которого выполнен топливный канал, причем один конец удлиненного цилиндрического элемента выступает наружу из корпуса и служит для подачи топлива под давлением, в средней части удлиненный цилиндрический элемент выполнен с выступом, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса, а другой конец удлиненного цилиндрического элемента, расположенный внутри цилиндра большего внешнего диаметра, выполнен с выступом в виде усеченного с двух сторон вытянутого эллипсоида вращения, внешний торец которого срезан внутрь, образуя закругленный край, между внешними поверхностями удлинённого цилиндрического элемента и внутренними поверхностями корпуса образована полость, которая через первый штуцер на боковой стенке корпуса соединена с емкостью, наполненной первичным распылителем под давлением, выступающая часть корпуса в виде цилиндра большего внешнего диаметра, выполнена сплошной с внутренним кольцевым коаксиальным каналом, который вторым штуцером в боковой части корпуса соединен с емкостью, наполненной вторичным распылителем под давлением, в крышке корпуса, напротив закругленного края торца удлиненного цилиндрического элемента, выполнено отверстие в виде усеченного конуса, радиус которого на внешней поверхности крышки меньше радиуса на внутренней поверхности крышки на величину, равную толщине крышки, с образованием кольцевого зазора между закругленным краем удлиненного элемента и крышкой корпуса для выхода наружу первичного распылителя, по окружности крышки, на равном расстоянии между собой и от центра топливного канала, выполнено n отверстий, каждое из которых соединено с кольцевым коаксиальным каналом своим канальцем, параллельным оси топливного канала.