ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ
AIR-OPERATED ACOUSTIC ROD-TYPE FLUID SPRAYER

Изобретение относится к устройствам для распыления жидкостей, использующим периодические ударные волны, создаваемые в недорасширенных газовых струях при их торможении резонансной камерой, и может быть использовано там, где необходимо получение мелких капель, например, для создания требуемой влажности воздуха в теплицах или ткацких цехах, при вакцинации животных, а также для создания газожидкостных пожаротушащих смесей.
При диспергировании жидкостей с помощью ударных волн, представляющих собой акустические колебания высокой интенсивности, используются те или иные пневматические устройства, позволяющие получать в газе пульсации с большой амплитудой и высокой частотой, позволяющие преодолевать силы поверхностного натяжения жидкости.
Размер капель при таком способе распыления определяется длиной волн неустойчивости в жидкости, причем для достижения капель с диаметром в десятки микрон требуются частоты ультразвукового диапазона. Подобные частоты при высокой амплитуде колебаний могут быть получены с помощью газоструйных генераторов, которые и являются основным элементом пневмоакустических распылителей.
Известен пневмоакустический распылитель жидкостей, в котором жидкость подается через систему отверстий, расположенных вне зоны генерации на длину волны акустических колебаний, создаваемых газоструйным генератором (Патент США №3070313, НКИ 239/102, опубл. 1962 г.)
Известен также пневмоакустический распылитель жидкостей, котором в качестве источника интенсивных акустических колебаний использован стержневой газоструйный генератор (Патент США №3667679, НКИ 239/102, опубл. 1972 г.).
Общим недостатком указанных пневмоакустических распылителей жидкости является недостаточная эффективность дробления жидкости и трудность получения с их помощью капель малого диаметра (менее 50 мкм), необходимых в ряде технологических процессов.
Известен пневмоакустический распылитель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, и впускной газовый канал, при этом цилиндрический корпус имеет впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, и газовое сопло, охватывающее центральный стержень и связанное с впускным газовым каналом, причем на выступающей части центрального стержня установлен резонатор, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, выполненному коническим сходящимся (Патент США №4408719, НКИ 239/101, опубл. 1983 г.).
Недостатком данного устройства является низкая эффективность распыления, так как уверенную генерацию колебаний в стержневых излучателях можно получить только при нахождении резонатора от газового сопла на расстоянии примерно втрое большем, чем толщина кольцевой струи на срезе газового сопла.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является пневмоакустический стержневой распылитель жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса, имеющего центральное отверстие, центрального цилиндрического стержня, установленного в центральном отверстии и имеющего часть, выступающую из цилиндрического корпуса, и впускной газовый канал, причем указанный цилиндрический корпус имеет впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с указанным впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, и газовое сопло, охватывающее центральный стержень, при этом на выступающей части центрального стержня установлен резонатор, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем указанные газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, а газовое сопло выполнено коническим сходящимся, а также обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки, (Патент РФ №2232647, МПК В05В 17/04, опубл. 2004 г.).
Недостатком указанного пневмоакустического распылителя жидкости является малая эффективность дробления жидкости и трудность получения с его помощью капель малого диаметра (менее 50 мкм), необходимых в ряде технологических процессов.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности дробления жидкости и получения с его помощью капель более малого диаметра.
Технический результат достигается за счет того, что в пневмоакустическом стержневом распылителе жидкостей, содержащем цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, газовое сопло, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки, впускное газовое сопло выполнено цилиндрическим, центральный стержень профилированным, причем расположенная внутри сопла часть имеет коническую форму с углом расхождения 45-80°, часть за срезом сопла имеет цилиндрическую форму, а место схождения цилиндрической и конической частей стержня расположено на срезе сопла, при этом впускной канал для жидкости выполнен в виде штуцера, установленного на внешней поверхности обечайки и соединенного с жидкостной кольцевой камерой.
Подобная конструкция стержня позволяет снизить влияние нарастающего пограничного слоя на цилиндрическом стержне у прототипа, что обеспечивает повышение продольного градиента статического давления в дозвуковой зоне струи перед резонатором, что, в свою очередь, приводит к росту интенсивности ударных волн, диспергирующих распыляемую жидкость.
Изобретение поясняется рисунками, где на Фиг.1 представлен разрез предлагаемого устройства, на Фиг.2 - дисперсные характеристики водяных капель, полученные на предлагаемом устройстве.
Пневмоакустический стержневой распылитель жидкости содержит цилиндрический корпус 1, имеющий центральное отверстие 2 и цилиндрическое газовое сопло 3, центральный стержень 4, установленный в центральном отверстии 2 и имеющий цилиндрическую часть 5, выступающую из сопла 3, и коническую часть 6, находящуюся внутри сопла 3 и имеющую угол конусности β=45-80°, отсчитываемый от вертикальной оси корпуса 1. Место пересечения конической 6 и цилиндрической 5 частей центрального стержня 4 расположено на уровне среза сопла 3. Центральный стержень 4 имеет впускной газовый канал 7 и проходные газовые каналы 8, а также кольцевой резонатор 9, выполненный на его выступающей за пределы сопла части 3, причем его рабочая поверхность обращена к газовому соплу 3. Обечайка 10, охватывающая корпус 1, имеет впускной штуцер 11 для подвода жидкости, распределительную кольцевую камеру 12 и жидкостные каналы 13, оканчивающиеся кольцевым жидкостным соплом 14. Указанные газовое сопло 3 и жидкостное сопло 14 выполнены соосными, жидкостное сопло 14 находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса 1, а газовое сопло 3 выполнено цилиндрическим. Предпочтительно, чтобы проходные жидкостные каналы 13 были равномерно распределены по окружности кольцевой камеры 12, а проходные газовые каналы 8 равномерно распределены по окружности центрального стержня 4.
Работа пневмоакустического стержневого распылителя жидкости происходит следующим образом. Газ при сверхкритическом давлении подается через впускной газовый канал 7 в центральном стержне 4 и проходные газовые каналы 8 в газовое сопло 3, выполненное в корпусе 1, формирующее кольцевую струю с числом Маха на срезе, равную 1. После расширения пристенная газовая струя, движущаяся вдоль цилиндрической поверхности 5 стержня 4, но не успевшая после точки перегиба стержня 4 приобрести заметный пограничный слой, тормозится полым кольцевым резонатором 9, находящимся на выступающей части центрального стержня 4, с образованием прямого скачка уплотнения и возникновением за ним дозвуковой зоны, которая представляет собой четвертьволновой резонатор с одной твердой границей (дно реального резонатора 9) и одной мягкой (прямой скачок уплотнения). Возникающие в этой зоне колебания усиливаются, раскачивая систему косых скачков и поверхность самой струи с образованием ударных волн. Распыляемая жидкость через впускной штуцер 11 и распределительную кольцевую камеру 12, образованную в корпусе 1 и обечайке 10, поступает через каналы 13 в жидкостное сопло 14, за пределами которого распадается под совместным действием ударных волн и высокоскоростного газового потока, выходящего из резонатора 9.
Сравнительные испытания пневмоакустического стержневого распылителя жидкости согласно изобретению с аналогичным по конструктивным параметрам прототипом, выполненные при распылении воды (производительность устройств 5, 7 кг/мин) и неизменной частоте генерации (26,7 кГц), показали, что использование предложенного профилированного стержня с углом конусности β=45° увеличивает число мелких капель в среднем на 12%. На фиг.2 приведены графики распределения капель для предложенной конструкции при рабочем давлении воздуха на распылителе Р=0,35 МПа. Графики, на фиг.2 обозначенные 1, соответствуют распределениям по диаметру капель, а обозначенные 2 - по объему (весу) капель. Из полученных данных видно, что изменение условий развития пограничного слоя в начале первой бочки недорасширенной струи позволяет сместить диапазон получаемых капель в зону более малых величин.