Устройство для распыления порошков
POWDER SPRAY DEVICE

Изобретение относится к технике распыления порошков в воздушной и газовой среде и может быть использовано в модулях порошкового пожаротушения, в системах распыления сорбента при ликвидации разливов нефти, для перевода в аэрозольное состояние порошкообразных материалов, для получения модельных аэрозолей при лабораторных исследованиях в химической и металлургической отраслях промышленности.
Из уровня техники известно множество конструкций устройств, в которых для вытеснения и распыления порошков используются газообразные продукты, получаемые с помощью газогенерирующего устройства. Все они включают корпус с порошком, узел подачи порошка, систему приведения газогенератора в действие и отличаются конструкцией газогенерирующего устройства, его расположением (внутри или вне корпуса с порошком), наличием аэратора порошка и возможностью работы в различных режимах.
Известно устройство для обеспечения интенсивной подачи огнетушащего порошка в зону горения [1]. Устройство содержит корпус, в котором размещен газогенератор, полость с порошком, аэратор в виде трубок с отверстиями на периферии с клапанами и насадок-распылитель. Аэратор газодинамически связан с газогенератором, который содержит узел воспламенения и камеру сгорания с размещенным в ней твердотопливным зарядом.
Известно устройство для распыления порошков, в котором с целью повышения эффективности и равномерности распыливания реализован способ, в котором одновременно с вибрационными колебаниями на порошок воздействуют вертикально направленным пульсирующим потоком воздуха, подаваемым через сетчатое дно емкости с порошком [2].
Наиболее близким по технической сущности является устройство для распыления порошка, выполненное в виде модуля порошкового пожаротушения [3]. Модуль содержит корпус с огнетушащим порошком, газогенератор с зарядом твердого топлива, систему аэрации порошка и элемент, определяющий течение газопорошковой смеси. Заряд твердого топлива выполнен в виде последовательно расположенных бесканальных шашек, отделенных друг от друга упругими прокладками с центральным отверстием. Система аэрации, которая является одновременно корпусом газогенератора, выполнена в виде цилиндрической обечайки с равномерно выполненными по ее боковой поверхности отверстиями и размещена внутри корпуса с порошком. Элемент, определяющий течение газопорошковой смеси, выполнен в виде пустотелого цилиндрического сопла, соосно размещенного в корпусе модуля.
Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является неравномерность расхода продуктов сгорания шашек твердотопливного заряда за счет их дегрессивного горения. По мере выгорания по боковой поверхности каждой из шашек уменьшается ее площадь поверхности горения и, соответственно, газоприход продуктов сгорания. Это приводит к неравномерности процесса аэрации и расхода газопорошковой смеси через выходное сопло модуля.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности распыливания порошка путем создания импульсного газоприхода продуктов сгорания газогенератора и интенсификации процесса аэрации порошка.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработано устройство для распыления порошков, включающее цилиндрический корпус, содержащий порошок, газогенератор с зарядом твердого топлива, систему аэрации порошка и сопло для истечения газопорошковой смеси. Газогенератор, выполненный в виде отдельного блока, содержит сопло для истечения продуктов сгорания твердого топлива и установлен соосно с корпусом, содержащим порошок, со стороны, противоположной соплу для истечения газопорошковой смеси. Заряд выполнен в виде последовательно расположенных чередующихся сплошных и канальных дисков одинакового диаметра из твердого топлива. В канальных дисках выполнено центральное отверстие, а на их торцевой поверхности со стороны, противоположной соплу газогенератора, выполнена система радиально-концентрических канавок. Боковая поверхность твердотопливного заряда покрыта бронирующим составом. Система аэрации порошка выполнена в виде перфорированной по боковой поверхности трубки, установленной по оси корпуса с порошком в пределах его длины. Торец трубки, обращенный в сторону сопла для истечения газопорошковой смеси, заглушен, а второй торец трубки соединен газоводом с соплом газогенератора. Перфорации на боковой поверхности трубки выполнены тангенциально в виде чередующихся поясов с возможностью создания закрученного в противоположных направлениях потока продуктов сгорания газогенератора. Диаметр центрального отверстия канальных дисков, площадь поперечного сечения канавок, суммарный объем канавок, толщина сплошных и канальных дисков, площадь критического сечения сопла газогенератора, суммарная площадь перфораций на боковой поверхности трубки и площадь критического сечения сопла для истечения газопорошковой смеси определяются соотношениями
к
к
2
3
d≥2 мм, S≥0.1 мм, V≥25 мм,
где d - диаметр центрального отверстия канальных дисков;
к
S - площадь поперечного сечения канавок;
к
V - суммарный объем канавок;
с
h - толщина сплошных дисков;
к
h - толщина канальных дисков;
N - заданное отношение периода следования импульсов давления в газогенераторе к их длительности (скважность импульсов);
ν - показатель степени в законе скорости горения твердого топлива;
1
S - площадь критического сечения сопла газогенератора;
i
S - площадь отверстия перфорации;
n - количество отверстий перфорации;
2
S - площадь критического сечения сопла для истечения газопорошковой смеси.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, на которой приведена схема устройства для распыления порошков. Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с порошком 2, газогенератора 3 с зарядом твердого топлива, системы аэрации и сопла 4 для истечения газопорошковой смеси. Заряд выполнен в виде последовательно расположенных чередующихся сплошных 5 и канальных 6 дисков одинакового диаметра из твердого топлива. В каждом из канальных дисков 6 выполнено центральное отверстие 7 (Фиг. 2), а на поверхности со стороны, противоположной соплу газогенератора, выполнена система радиальных 8 и концентрических 9 канавок, сообщающихся между собой. Боковая поверхность твердотопливного заряда покрыта бронирующим составом 10. В корпусе газогенератора 3 установлен пиротехнический воспламенитель 11. Продукты сгорания газогенератора поступают через сопло 12 в систему аэрации. Перед соплом 12 установлена диафрагма 13 - перфорированный диск, предназначенный для предотвращения вылета в систему аэрации несгоревших фрагментов заряда при его возможном разрушении.
Система аэрации порошка выполнена в виде трубки 15, установленной по оси корпуса, содержащего порошок, в пределах его длины. Торец трубки, обращенный в сторону сопла 4, заглушен, а второй торец соединен газоводом 14 с соплом 12 газогенератора 3. На боковой поверхности трубки 15 выполнены тангенциальные перфорации 16 (Фиг. 3) в виде чередующихся поясов, с возможностью создания закрученного потока продуктов сгорания газогенератора 3. Тангенциальные перфорации в соседних поясах направлены противоположно (Фиг. 3), что обеспечивает противоположное направление закрутки в каждом из соседних поясов перфораций. Сопло 4 для истечения газопорошковой смеси перекрыто в выходном сечении прорывной мембраной 17.
г
т
г
т
г
т
Устройство для распыления порошков работает следующим образом. При инициировании пиротехнического воспламенителя 11 поджигается торцевая поверхность первого сплошного диска 5. Продукты сгорания диска 5, горящего со стороны торца (площадь поверхности горения S равна торцевой поверхности диска S), через диафрагму 13, сопло 12 и газовод 14 поступают в трубку 15 системы аэрации. При истечении продуктов сгорания через тангенциальные перфорации 16, выполненные на боковой поверхности трубки 15, происходит аэрация порошка противоположно закрученными потоками газа. При достижении рабочего давления в корпусе 1 срезается мембрана 17 и происходит вытеснение газопорошковой смеси через сопло 4. После сгорания первого сплошного диска 5 продукты сгорания через центральное отверстие 7 в первом канальном диске 6 проникают в систему радиально-концентрических канавок 8, 9, поджигая две противоположные торцевые поверхности канального диска 6 и торцевую поверхность следующего сплошного диска. При этом площадь поверхности горения увеличивается в три раза (S равна трем торцевым поверхностям дисков 3S) и, соответственно, увеличивается расход продуктов сгорания в систему аэрации порошка. После сгорания канального диска площадь поверхности горения уменьшается до площади поверхности сплошного диска (S=S) и уменьшается расход продуктов сгорания в систему аэрации порошка. При сгорании второго сплошного диска цикл работы газогенератора повторяется. Таким образом, циклограмма расхода газа, поступающего на аэрацию порошка, представляет собой рабочий режим (при горении сплошного диска) с наложенными на него пульсациями повышенного расхода (при совместном горении сплошного и канального дисков). Частота следования импульсов повышенного расхода газа и их длительность определяются соотношением толщин канальных и сплошных дисков.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Установка сопла на выходе газогенератора обеспечивает его автономную работу при сверхкритическом режиме истечения, т.е. независимость его работы от давления в системе аэрации и в корпусе с порошком.
2. Выполнение заряда твердого топлива газогенератора в виде чередующихся сплошных и канальных дисков позволяет получить колебания давления в газогенераторе и, следовательно, колебания расхода газа из газогенератора. При достижении фронтом горения заряда границы раздела канального и сплошного дисков площадь поверхности горения увеличивается в три раза за счет распространения пламени по каналам и отрыву канального диска от заряда. При этом одновременно загораются три торцевых поверхности: две у канального диска и одна у сплошного. Это увеличивает давление в газогенераторе и, следовательно, расход газа.
3. Выполнение центрального отверстия в канальных дисках и системы радиально-концентрических канавок обеспечивает воспламенение и отрыв канальных дисков от составного заряда.
4. Бронирование боковой поверхности твердотопливного заряда обеспечивает его торцевое горение.
5. Выполнение системы аэрации в виде равномерно перфорированной по боковой поверхности трубки поясами тангенциальных отверстий и расположенной в пределах длины камеры обеспечивает интенсивную аэрацию порошка во всем объеме камеры.
6. Выполнение тангенциальной перфорации трубки с противоположным направлением закрутки по поясам повышает интенсивность аэрации порошка и исключает вращение корпуса.
7. Экспериментально установлено, что для устойчивого распространения пламени по узким каналам и отрыва канального диска от составного заряда диаметр центрального отверстия в канальном диске площадь сечения каналов и их суммарный объем должны определяться соотношениями [4]:
раб
имп
8. Циклограмма работы газогенератора (Фиг. 4) включает в себя участки рабочего режима длительностью t (горит одна поверхность сплошного диска) и импульсного режима длительностью t (горит одна поверхность сплошного диска и две поверхности канального диска). Зададим отношение длительности импульсного режима к длительности рабочего режима
Продолжительность импульсного режима определяется временем сгорания канального диска, горящего с двух сторон
имп
имп.
где u - скорость горения твердого топлива при давлении в импульсном режиме p
имп
За время t сплошной диск сгорает на толщину
Продолжительность рабочего режима определяется временем сгорания оставшейся части сплошного диска
раб
раб.
где u - скорость горения твердого топлива при давлении в рабочем режиме p
Из (2), (3) следует соотношение для ε:
из которого получим
Поскольку скорость горения твердого топлива зависит от давления по степенному закону
1
1
раб
имп
где u - скорость горения твердого топлива при атмосферном давлении p, то отношение скоростей горения определяется через отношение давлений p и p.
Давление в камере сгорания газогенератора для степенного закона горения твердого топлива определяется формулой Бори [5]:
т
где ρ - плотность твердого топлива;
г
S - площадь поверхности горения;
R, T, k - газовая постоянная, температура и показатель адиабаты продуктов сгорания твердого топлива, соответственно;
ϕ - коэффициент расхода сопла;
1
S - площадь критического сечения сопла газогенератора;
- функция показателя адиабаты;
- константа для данного двигателя и твердого топлива.
Из (6) следует
т
где S - площадь торцевой поверхности диска.
Подставляя (7) в (5), получим отношение скоростей горения в рабочем и импульсном режимах
Подставляя (8) в (4), для отношения толщин дисков получим
Можно показать, что отношение длительности импульсного режима к длительности рабочего режима выражается через скважность импульсов
где N - скважность импульсов, т.е. отношение периода следования импульсов давления к их длительности. Подставляя (10) в (9) получим выражение для отношения толщин дисков в виде
1
2
0
н
9. При выборе соотношения между площадью критического сечения сопла газогенератора S, суммарной площадью перфораций трубки  и площадью критического сечения сопла для истечения газопорошковой смеси S необходимо обеспечить сверхкритический режим истечения. Это обеспечит надежное функционирование устройства, поскольку при сверхкритическом режиме истечения параметры последующего объема не влияют на рабочие процессы в предыдущем. Для сверхкритического режима истечения газа из сосуда отношение давлений внутри p и снаружи р сосуда должно подчиняться соотношению [5]
В широком диапазоне значений k=(1.1÷1.5) выражение в правой части (12) больше 0.5, т.е. давление в сосуде должно минимум в 2 раза превосходить внешнее давление. Поскольку расход газа прямо пропорционален давлению и площади отверстия для истечения [5], то суммарная площадь отверстий перфорированной трубки должна минимум в 2 раза быть больше площади критического сечения сопла газогенератора. Аналогично, для свободного истечения газопорошковой смеси при распылении площадь критического сечения сопла для истечения газопорошковой смеси должна быть минимум в два раза больше суммарной площади отверстий в перфорированной трубке.
1
2
Таким образом, площадь критического сечения сопла газогенератора S, суммарная площадь отверстий перфорации  на боковой поверхности трубки и площадь критического сечения сопла S для истечения газопорошковой смеси определяются соотношениями
Пример реализации
Выберем в качестве твердого топлива для газогенератора порох H, характеристики которого приведены в таблице 1.
Характеристики пороха H [6]
к
к
2
2
3
3
Рассмотрим заряд твердого топлива, состоящий из 11-ти дисков диаметром D=5 см (шести сплошных и пяти канальных). Заряд составляется в последовательности (от сопла газогенератора): сплошной диск, канальный диск и т.д. В соответствии с соотношениями (1) выбираем диаметр центрального отверстия канального диска равным d=2 мм, а систему радиально-концентрических канавок выполним в виде 6 радиальных и 5 концентрических канавок глубиной 0.8 мм (Фиг. 2). Площадь сечения канавок S=0.5 мм ≥ 0.1 мм, суммарный объем V=34 мм ≥ 25 мм.
Зададим скважность импульсов N=6. Отношение толщин сплошного и канального дисков рассчитывается по формуле (11)
раб
раб
Зададим рабочее значение давления в газогенераторе p=2 МПа. Скорость горения твердого топлива при давлении p=2 МПа равна (5)
Площадь критического сечения сопла для торцевого горения сплошного диска (рабочий режим), рассчитанная по формуле Бори (6), равна:
1
кр
раб
2
для коэффициента расхода сопла ϕ=0.91. Для площади критического сечения сопла S=10 мм диаметр сопла d≈3.6 мм. Расход газа для рабочего режима (p=2.0 МПа) составляет:
г
т
Для импульсного режима работы (площадь поверхности горения S=3S), расчетное значение давления равно (6):
имп
МПа. Расход газа для импульсного режима (p=32.4 МПа) составляет:
имп
Скорость горения твердого топлива при импульсном режиме (p=32.4 МПа) равна (5)
с
к
с
к
Выберем толщину сплошного диска h=10 мм. Толщина канального диска также равна h=10 мм, т.к. h/h≈1. Тогда длительность импульсного режима работы газогенератора равна (2)
раб
Длительность рабочего режима работы t рассчитывается по формуле (4) и равна
Расчетные параметры работы газогенератора приведены в таблице 2.
Параметры работы газогенератора
1
с
2
п
2
2
В соответствии с соотношениями (13) и значением S=10 мм для перфорированной трубки выбираем суммарную площадь отверстий перфорации  что соответствует n=12 отверстий диаметром 2 мм. Отверстия на перфорированной трубке располагаются четырьмя поясами по три тангенциальных отверстия и направления отверстий каждого пояса задаем противоположно предыдущему. Диаметр критического сечения сопла для истечения газопорошковой смеси выбираем равным d=20 мм (S≈314 мм > 2S). Давление срезания мембраны, закрывающей корпус с порошком, выбираем равным 0.3 МПа. Расчетная циклограмма работы газогенератора с рассчитанными в примере параметрами приведена на Фиг. 4.
Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается технический результат изобретения - повышение эффективности и надежности распыления порошка путем создания импульсного газоприхода продуктов сгорания газогенератора и интенсификации процесса аэрирования порошка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2174421, МПК A62C 13/22, A62C 35/00, A62C 3/00. Способ тушения пожара (варианты) и устройство для его осуществления / В.П. Борочкин, Н.Н. Сысоев, В.М. Дружбин-Ходос, В.А. Полежаев - Опубл. 10.10.2001.
2. Патент РФ №2007225, МПК B05B 7/14. Способ распыления порошков и устройство для его осуществления / В.И. Козаченко, Т.В. Колобашкина, С.И. Коновалов, К.В. Турубаров - Опубл. 15.02.1994.
3. Патент РФ №2314135, МПК A62C 3/00, A62C 35/00. Способ тушения пожара (варианты) и модуль порошкового пожаротушения для его осуществления / М.А. Ашмарин, А.Г. Груздев, В.В. Кайдалов, С.К. Кондратюк, Д.Н. Никитин, Ю.Е. Орионов, В.Н. Осипков - Опубл. 10.01.2008.
4. Архипов В.А., Вилюнов В.Н., Козлов Е.А., Трофимов В.Ф. О конвективном горении в упорядоченных пористых структурах // Физика горения и взрыва. 1986, №4. - С. 25-30.
5. Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 1967. - 368 с.
6. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: Справочник. - М.: Машиностроение, 1998. - 240 с.