Способ диспергирования жидкости и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК B01F23/20 B05B1/02 

Предлагаемая группа изобретений относится к технике распыливания жидкостей и организации процесса смешения жидкости и газа, например, топлива с окислителем (воздухом) и предназначено для получения мелкодисперсных двухфазных потоков и аэрозолей в диапазоне размеров капель менее 20 мкм.

Наиболее близким аналогом устройства к предлагаемому изобретению является пневматическая форсунка для распыливания вязких жидкостей, состоящая из цилиндрической трубы с многозаходный шнеком, на конце которой размещены конус и дефлектор, вихревой камеры и сопла. Первичный воздух движется по шнеку в вихревую камеру, далее вращающийся поток воздуха, выходя из сопла, увлекает за собой вязкую жидкость, предварительно распылив ее. Дополнительное дробление проводят вторичным потоком воздуха, поступающим через окно и центральную трубу. Окончательно формируется факел жидкости воздухом, поступающим в кольцевую щель, образованную конусом и дефлектором [патент SU № 182054, кл. F26B 3/12, 1966)].

Недостатком известной конструкции является отсутствие регулирования расходов жидкости и воздуха, а использование шнека для создания вихревого потока жидкости, приводит к гидравлическим потерям, усложняет проектирование и изготовление конструкции.

Известен способ создания мелкодисперсного облака, выбранный в качестве прототипа, содержащий подачу жидкости от насоса и воздуха от компрессора, разгон последнего в сопле. Впрыск рабочей жидкости осуществляется в сечение сопла со сверхкритическим перепадом давлений сверхзвукового потока через две щелевые форсунки, расположенные по оси движения сжатого воздуха в двух диспергаторах [патент RU №2534764, кл. B05B 17/00, 2014)].

Недостатком данного способа является то, что для его реализации подача жидкости в сопло осуществляется с помощью насоса.

Изобретение направлено на формирование мелкодисперсной структуры газокапельного двухфазного потока с возможностью регулирования параметров потока (давления, расхода, концентрации фаз, скорости) на выходе из устройства, и снижение гидравлического сопротивления течения в каналах.

Техническим результатом предлагаемых способа и устройства является возможность получения более мелких капель при меньших давлениях и расходах газа, не требует использования устройств подачи жидкости под давлением, и имеет более широкий диапазон регулирования параметров на выходе из вихревой эжекционной форсунки, в том числе угла распыла двухфазного потока.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе диспергирования жидкости смешением высокоскоростного газового потока и жидкости, дробление жидкости производят дважды; для первичного дробления жидкости газовый поток подают тангенциально в камеру смешения, разгоняют до сверхзвуковых скоростей за счет профилирования камеры смешения в форме сверхзвукого сопла, в зоне разряжения в минимальном сечении сопла производят эжекцию жидкости в газовый поток через осевой цилиндрический канал с торцевыми отверстиями на выходе, при истечении в газовый поток жидкость дробится первично, а вторичное дробление происходит в образовавшихся скачках уплотнения газа на выходе из сопла; при этом для регулирования режима концентрации и дисперсности капель изменяют расстояние между выходом цилиндрического канала и выходным сечением сопла.

Для устройства заявленный технический результат достигается тем, что вихревая эжекционная форсунка для осуществления способа диспергирования жидкости содержит камеру смешения газожидкостного потока, трубку для подачи газа и осевой цилиндрический канал для эжекции жидкости; камера смешения закрыта торцевой вертикальной стенкой и выполнена в форме сверхзвукового сопла; при этом длина сужающейся части сопла составляет от 1 до 10 калибров его выходного сечения, сопло профилировано таким образом, чтобы обеспечить сверхзвуковой поток на выходном участке сверхзвукового сопла и получить разрежение по отношению к давлению в окружающей среде; трубка для подачи газа установлена в боковой стенке камеры смешения и наклонена в сторону вертикальной стенки под углом от 5° до 15° к торцевой вертикальной стенке камеры, кроме того трубка соединена с расположенным в цилиндрической стенке камеры смешения тангенциальным отверстием; в торцевой вертикальной стенке камеры смешения установлен осевой цилиндрический канал с радиальными отверстиями на его выходе для эжекции жидкости, при этом цилиндрический канал выполнен с возможностью перемещения вдоль оси камеры смешения так, что его выход устанавливается на различном расстоянии от выходного сечения камеры смешения.

В вихревой эжекционной форсунке предварительно, без участия жидкости, вихревым способом, с помощью подачи газа в камеру смешения через тангенциальное отверстие и прохождение его через профилированное сопло камеры смешения формируется сверхзвуковой газовый высокоскоростной поток. Предварительное образование сверхзвукового высокоскоростного газового потока снижает затраты энергии на получения в дальнейшем диспергированных капель жидкости и обеспечивает эффективность процесса дробления. В процессе формирования сверхзвукового газового потока давление потока в сопле уменьшается до давления ниже атмосферного, и в минимальном сечении сопла камеры смешения реализуется разряжение, которое используется для эжектирования жидкости, ее подачи в сверхзвуковой газовый поток и первичного дробления, диспергирования, на капли. Первично диспергированные капли подвергаются вторичному дроблению в скачках уплотнения, возникающих на выходе из сопла при торможении сверхзвукового потока газа, что способствует образованию более однородной структуры потока капель.

Участок сопла камеры смешения после критического сечения выполняется длиной от 1 до 10 калибров этого сечения. Цилиндрический канал расположенный внутри сопла вдоль его оси может иметь отверстия на цилиндрической поверхности для выпуска жидкости, а также на торцевой поверхности. Наличие отверстий в той или иной части цилиндрического канала, их диаметр и количество определяются требуемыми параметрами двухфазного потока на выходе из сопла.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигурах показаны:

Фиг. 1 - вид сверху эжекционной вихревой форсунки,

Фиг.2 - продольный разрез вихревой эжекционной форсунки.

Вихревая эжекционная форсунка включает закрытую торцевой вертикальной стенкой камеру смешения 3, выполненную в форме вихревого сверхзвукового сопла, цилиндрический канал для эжектирования жидкости 2, и расположенное в цилиндрической стенке камеры смешения 3 тангенциальное отверстие 5 фиг.2, в которое входит трубка для подачи газа 1 фиг.1. Ось камеры смешения сопла и ось цилиндрического канала 2 фиг.2, через который подается жидкость, совпадают. Ось трубки для подачи газа 1 фиг.1 расположена под углом α° от 5° до 15° к вертикальной торцевой стенке камеры смешения 3. Камера смешения 3 выполнена сужающейся в направлении истечения потока газа. На выходе цилиндрического канала 2 фиг.1, в радиальной его части, располагаются отверстия 4. Их диаметр и количество выбираются исходя из заданных параметров двухфазного газожидкостного потока на выходе из форсунки. Соединение цилиндрического канала 2 с камерой смешения выполняется так, чтобы обеспечить передвижение этого канала в осевом направление в камере смешения для регулировки режима концентрации и дисперсности фаз. Отверстие 5 расположено в стенке камеры смешении 3так, чтобы газ подавался тангенциально. Сужающийся канал камеры смешения 3 профилируется таким образом, чтобы обеспечить сверхзвуковой поток на выходном участке сверхзвукового сопла и получить разрежение по отношению к давлению в окружающей среде. Этот участок сопла выполняется длиной от 1 до 10 калибров выходного сечения сопла.

Вихревая эжекционная форсунка работает следующим образом. В камеру смешения 3 через трубку 1, установленную под небольшим углом α° в направлении к вертикальной торцевой стенке камеры, через тангенциальное отверстие 5 под давлением подается газ. Газ в камере смешения 3 разгоняется до сверхзвуковой скорости, обеспечивая область разряжение (P<P_атм) на конечном участке сопла, жидкость за счет разряжения эжектируется по цилиндрическому каналу 2 и выходит через отверстия 4, попадая в сечение сопла с разрежением. Под воздействием сверхзвукового потока, происходит процесс первичного дробления капель и смешения их с газом. На выходе из вихревой эжекционной форсунки при торможения газового потока образуется система скачков уплотнения, и в результате прохождения смеси, жидкая фаза подвергается вторичному дроблению на более мелкие капли (менее 20 мкм). Вихревая эжекционная форсунка выходит на заданный режим работы. Регулирование режима может производится изменением подачи расхода жидкости и газа, давления газа, при наличии на входе в каналах жидкости и газа соответствующих регуляторов, например, игольчатого или шарового крана, и перемещением вдоль оси камеры смешения цилиндрического канала 2.

От других способов диспергирования предлагаемый способ отличается возможностью получения более мелких капель при меньших давлениях и расходах газа, не требует использования устройств подачи жидкости под давлением, и имеет более широкий диапазон регулирования параметров на выходе из вихревой эжекционной форсунки, в том числе угла распыла двухфазного потока.

Группа изобретений относится к технике распыливания жидкостей. Способ включает дробление жидкости, которое производят дважды, для первичного дробления жидкости газовый поток подают тангенциально в камеру смешения, разгоняют до сверхзвуковых скоростей за счет профилирования камеры смешения в форме сверхзвукого сопла, в зоне разряжения в минимальном сечении сопла производят эжекцию жидкости в газовый поток через осевой цилиндрический канал с торцевыми отверстиями на выходе. При истечении в газовый поток жидкость дробится первично, а вторичное дробление происходит в образовавшихся скачках уплотнения газа на выходе из сопла. При этом для регулирования режима концентрации и дисперсности капель изменяют расстояние между выходом цилиндрического канала и выходным сечением сопла. Также раскрыта вихревая эжекционная форсунка для осуществления способа. Техническим результатом является обеспечение формирования мелкодисперсной структуры газокапельного двухфазного потока и возможности регулирования параметров потока на выходе. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диспергирования жидкости смешением высокоскоростного газового потока и жидкости, заключающийся в том, что дробление жидкости производят дважды; для первичного дробления жидкости газовый поток подают тангенциально в камеру смешения, разгоняют до сверхзвуковых скоростей за счет профилирования камеры смешения в форме сверхзвукого сопла, в зоне разряжения в минимальном сечении сопла производят эжекцию жидкости в газовый поток через осевой цилиндрический канал с торцевыми отверстиями на выходе, при истечении в газовый поток жидкость дробится первично, а вторичное дробление происходит в образовавшихся скачках уплотнения газа на выходе из сопла; при этом для регулирования режима концентрации и дисперсности капель изменяют расстояние между выходом цилиндрического канала и выходным сечением сопла.

2. Вихревая эжекционная форсунка для осуществления способа диспергирования жидкости по п.1, содержащая камеру смешения газожидкостного потока, трубку для подачи газа и осевой цилиндрический канал для эжекции жидкости; камера смешения закрыта торцевой вертикальной стенкой и выполнена в форме сверхзвукового сопла; при этом длина сужающейся части сопла составляет от 1 до 10 калибров его выходного сечения, сопло профилировано таким образом, чтобы обеспечить сверхзвуковой поток на выходном участке сверхзвукового сопла и получить разрежение по отношению к давлению в окружающей среде; трубка для подачи газа установлена в боковой стенке камеры смешения и наклонена в сторону вертикальной стенки под углом от 5° до 15° к торцевой вертикальной стенке камеры, кроме того трубка соединена с расположенным в цилиндрической стенке камеры смешения тангенциальным отверстием; в торцевой вертикальной стенке камеры смешения установлен осевой цилиндрический канал с радиальными отверстиями на его выходе для эжекции жидкости, при этом цилиндрический канал выполнен с возможностью перемещения вдоль оси камеры смешения для изменения расстояния между выходом цилиндрического канала и выходным сечением камеры смешения.