СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ И ДИСПЕРГАТОР АЭРОЗОЛЬНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FLUID DISPERSION AND CONTROLLED AEROSOL DISPERSER TO THIS END

Изобретение относится к способам и устройствам для распыления жидкости в технологических процессах, требующих высокого качества диспергирования, например в сельском и лесном хозяйствах для обработки растений физиологически активными веществами (ядохимикаты, вирусные и бактериальные препараты) для защиты их от болезней и вредных насекомых, а также для гербицидных обработок дикорастущих наркосодержащих культур (маковые, конопляные и др. культуры), внекорневой подкормки растений удобрениями, ветеринарной аэрозольной вакцинации и терапии.
Известны способ и осуществляющее его устройство для образования монодисперсного аэрозольного облака, содержащее сверхзвуковое сопло, сообщенное с нагнетателем воздуха, центробежно-пневматическую жидкостную форсунку, сообщенную с насосом и регулирующую расход жидкости, обтекатель, корпус, резонатор Гартмана (RU, патент №2164827 С2 от 27.02.2001; МПК: 7 В05B 17/00, 7/12, 7/28).
Способ предварительного диспергирования состоит: в многократном дроблении тангециальных струй жидкости попутными, а также радиальными и осевыми, струями воздуха со скоростью звука, причем попутные струи воздуха дополнительно разгоняют жидкость в окружном направлении, в дальнейшем распылении жидкости центробежными силами во вращающемся конусе распыла; подаче предварительно диспергированной жидкости в поле ультразвуковых колебаний воздуха, генерируемых резонатором Гартмана, возбуждаемого частью сверхзвуковой струи воздуха из сопла, где происходит нивелирование величины дисперсности аэрозоля, и в окончательном пневматическом диспергировании аэрозоля и остатка случайных капель жидкости в нем, сверхзвуковой струей воздуха из сопла, которая выносит созданный аэрозоль в облако.
Известный способ и устройство имеют ряд недостатков:
- сверхзвуковое сопло выполнено нерегулируемым;
- использование части струи воздуха из сопла для возбуждения резонатора Гартмана, что значительно снижает дальнобойность струи аэрозоля;
- регулирование расхода жидкости изменением суммарной проходной площади тангенциальных отверстий, подающих жидкость в полость форсунки, и противоположно зависимым изменением суммарной проходной площади отверстий, подающих воздух попутными жидкостными струями. Величина расхода жидкости напрямую влияет на величину капель, поэтому при увеличении расхода жидкости величина капель растет, за счет снижения величины, приходящейся на них, удельной энергии пневматического воздействия струй воздуха, обусловленного падением, в отсутствии поддержания постоянным, давления жидкости, подаваемой насосом, что ведет к снижению величины скорости струй жидкости, к тому же усугубленному снижением количества воздуха в попутных струях. Снижение скорости жидкости ведет также к снижению величины удельной энергии воздействия центробежных сил в конусе распыла. Снижается также величина удельной энергии воздействия ультразвуковых колебаний воздуха и пневматического воздействия струй воздуха. Все вместе это приводит к лавинообразному нарастанию размера капель и делает проблематичным плавное регулирование дисперсности аэрозоля и, в том числе, поддержание монодисперсности аэрозольного облака. Также падает дальнобойность струи воздуха.
Известный способ диспергирования и осуществляющий его диспергатор регулируемой дисперсности (RU, патент №37473 от 27.04.2004; МПК: 7 В05В 17/00, 7/12, 7/28), содержащий сверхзвуковое сопло, регулируемое, двухконтурное: основной регулируемый и вспомогательный контуры; сообщенное с нагнетателем распыливающего агента, жидкостную осевую форсунку с возможностью регулирования расхода жидкости, сообщенную с насосом, включающую резонатор Гартмана, фиксатор, полый корпус с полыми пилонами, седло и плунжер, цилиндрическую оболочку, конфузорный насадок и центральную полую цилиндрическую оболочку сопла.
Способ диспергирования, осуществляемый диспергатором регулируемой дисперсности, состоит: в предварительном гидравлическом дроблении жидкости на капли в конусе распыла; в дальнейшем пневматическом диспергировании капель жидкости в поле ультразвуковых колебаний воздуха сверхзвуковой струи из вспомогательного контура сопла в аэрозоль и в подаче аэрозоля для окончательного пневматического диспергирования в сверхзвуковой струе воздуха из основного контура сопла, транспортирующего аэрозоль к месту применения, причем дисперсность аэрозоля регулируют изменением величин расходов жидкости и воздуха из основного контура сопла.
Известный способ и диспергатор имеет ряд недостатков:
- резонатор загромождает часть струи воздуха из основного контура, что отрицательно сказывается на ее дальнобойности;
- наличие крупных частиц жидкости в аэрозольном облаке, причиной образования которых является загромождение потока предварительно распыленной в форсунке жидкости «переплетами» между окон в полой цилиндрической гильзе форсунки;
- ограниченная, только смещением по оси конфузорного насадка, возможность регулирования сопла;
- ограниченное по времени воздействие поля ультразвуковых колебаний воздуха, генерируемое резонатором, на частицы предварительно распыленной форсункой жидкости, обусловленное тем, что траектории частиц, преодолевающих зону воздействия резонатора, направлены по наикратчайшему пути - по образующим конуса распыла;
- регулирование расхода жидкости изменением величины проходной площади седла форсунки в отсутствии поддержания постоянства давления жидкости в форсунке, что приводит к снижению скорости жидкости в случае увеличения ее расхода и, как следствие, к снижению удельной энергии предварительного гидравлического дробления жидкости и удельной энергии воздействия поля ультразвуковых колебаний воздуха сверхзвуковой струи из вспомогательного контура сопла, по причине не только роста расхода жидкости, но и снижения удельной кинетической энергии капель жидкости. Также, по этим же причинам, снижается удельная энергия пневматического воздействия сверхзвуковой струи воздуха из основного контура сопла. Следствием всего комплекса этих причин является обвальный рост размеров капель аэрозоля, а также снижение дальнобойности струи воздуха, что делает проблематичным плавное регулирование дисперсности аэрозоля, в том числе поддержание ее степени монодисперсности.
Известные способ и диспергатор наиболее близки к заявленному изобретению по технической сути и достигаемым результатам.
Технической задачей изобретения являются способ диспергирования жидкости, и диспергатор аэрозольный регулируемый для осуществления способа, конструкция которого и способ обеспечивают: качественную степень монодисперсности аэрозоля, компенсацией снижения величины удельной энергии воздействия на жидкость; широкий диапазон регулирования сопел; максимально достижимую по исходным параметрам нагнетаемого в диспергатор воздуха, дальнобойность потока аэрозоля. Результаты достигаются путем устранения загромождения потока воздуха из сопла и потока распыленной жидкости из форсунки, применением сменной конфузорной части насадка, и сменного сопла вспомогательного контура, изменением траектории факела распыла жидкости форсункой, введением дополнительного воздействия на жидкость в форсунке вращением ее потока, а также поддержанием постоянства давления жидкости.
Техническая задача по способу диспергирования жидкости, содержащему подачу жидкости от насоса и воздуха от нагнетателя, разгон его в сопле, предварительное гидравлическое дробление жидкости на капли в конусе распыла из форсунки, дальнейшее пневматическое диспергирование капель жидкости в поле ультразвуковых колебаний воздуха сверхзвуковой струи его из вспомогательного контура сопла в аэрозоль и подачу аэрозоля для окончательного пневматического диспергирования в сверхзвуковую струю воздуха из основного контура сопла, транспортирующего аэрозоль к месту потребления, регулирование дисперсности аэрозоля изменением величин расходов: жидкости форсункой плавно и воздуха плавно из основного контура сопла, решается согласно изобретению тем, что приводят во вращение в форсунке осевой поток жидкости, давление которой поддерживают постоянной величины, а максимальную скорость вращения потока поддерживают в заданных пределах, независимо от установленного диапазона изменения величины расхода жидкости, регулируют дисперсность аэрозоля изменением расхода воздуха из вспомогательного контура и из основного контура дискретно, причем снижение удельной энергии пневматического диспергирования аэрозоля в поле ультразвуковых колебаний воздуха в сверхзвуковой струе его из вспомогательного контура сопла при увеличении расхода жидкости компенсируют увеличением скорости вращения потока жидкости из форсунки.
Техническая задача по диспергатору аэрозольному регулируемому, содержащему сверхзвуковое сопло, регулируемое двухконтурное: основной и регулируемый вспомогательный контуры; сообщенное с нагнетателем воздуха, жидкостную осевую форсунку с возможностью регулирования расхода жидкости, сообщенную с насосом, состоящую из резонатора Гартмана, фиксатора, корпуса с полыми пилонами, седла, плунжера, конфузорного насадка, цилиндрической оболочки, решается согласно изобретению тем, что форсунка сообщена с насосом через регулятор давления и включает законтренный от проворота по оси завихритель, размещенный по оси полого корпуса, на конец которого на резьбе навернуты застопоренный фиксатор и резонатор Гартмана, сопрягаемый по резьбе с плунжером, посаженным на завихритель с возможностью перемещения только по оси, в свою очередь, сопрягаемым с седлом, выполненным заодно с конфузорным насадком, ввернутым в корпус, а цилиндрическая оболочка оснащена сменным соплом, закреплена плоскими пилонами на корпусе, закрепленном, в свою очередь, полыми пилонами в коническом насадке сверхзвукового сопла, причем на резьбовом конце его навернута зажимная гайка, с закрепленным на ней сменным конфузором, при этом контуры сопла ограничены: основной - насадком коническим со сменным конфузором и цилиндрической оболочкой со сменным соплом, вспомогательного - цилиндрической оболочкой со сменным соплом и корпусом форсунки и седлом; кроме этого шаг резьбы резонатора Гартмана в сопряжении с завихрителем больше шага его резьбы в сопряжении с плунжером на величину 0,1÷0,17 мм.
Сущность изобретения поясняет чертеж.
Диспергатор аэрозольный регулируемый (в дальнейшем тексте - «диспергатор») состоит из сверхзвукового сопла 1, регулируемого двухконтурного: основной регулируемый контур 2 и вспомогательный контур 3 с возможностью настройки его в соответствии с требованиями настройки интенсивности поля ультразвуковых колебаний в среде струи воздуха из контура 3. Сопло 1 сообщено с нагнетателем воздуха 4 с давлением, обеспечивающим сверхкритический перепад давлений воздуха на сопле 1. По оси сопла 1 расположена осевая жидкостная форсунка 5, сообщенная с насосом 6-Н через регулятор 7 давления РД жидкости «после себя». Форсунка 5 состоит из полого корпуса 8 с полыми пилонами 9, в количестве трех штук, посредством которых она закреплена гайками 10 по оси сопла 1, резонатора Гартмана 11, сопрягаемого по резьбе 12 с концом завихрителя 13. Резонатор 11 имеет осевые прорези 14, сопрягаемые с тремя подпружиненными роликами 15 фиксатора 16, посаженного на резьбу 12 и застопоренного на ней винтом 17. Резонатор 11 сопрягается с плунжером 18 по резьбе 19, шаг которой меньше шага резьбы 12 на 0,1÷0,17 мм. Количество прорезей 14-36 штук, поэтому при вращении резонатора 11 итоговое (суммарное) перемещение плунжера 18 на одну прорезь 14 составляет величину примерно 0,0028-0,0044 мм. Что обеспечивает требуемую тонкость регулирования форсунки 5. Плунжер 18 посажен на завихритель 13 с возможностью перемещения только по оси, обеспечиваемой ≈0,0028÷0,0044 мм. Что обеспечивает требуемую тонкость регулирования штифтом 20. Сопряжение плунжера 18 с завихрителем 13 герметизировано эластомерным кольцом 21. Завихритель 13 закреплен по оси корпуса 8 гайкой 22 и застопорен от проворота штифтом 23. Сопряжение завихрителя 13 и корпуса 8 герметизировано эластомерным кольцом 24. В корпусе 8 по левой резьбе ввинчено седло 25, с герметизирующим сопряжение эластомерным кольцом 26. Завихритель 13 сцентрирован точно по оси корпуса 8 плотной посадкой своих направляющих венцов: переднего 27 в корпус 8 и заднего 28 в седло 25. Венец 27 предназначен для закрутки потока жидкости вправо предварительно, венец 28 окончательно. Плунжер 18 сопрягается с седлом 25 по конической его поверхности по типу контакта: конус - тор. Сопряжение обеспечивает точность раскрытия проходной щели в контакте с учетом конусности седла 25: 0,0014÷0,0022 мм на одну прорезь 14 или на один оборот резонатора 11 - 0,05÷0,08 мм. На корпусе 8 с помощью плоских пилонов 29 закреплена цилиндрическая оболочка 30, в которую ввинчено сменное сопло 31. Оболочка 30, сопло 31, корпус 8 и седло 25 ограничивают вспомогательный контур 3 сопла 1, состоящего из насадка конического 32, на резьбу которого навинчена зажимная гайка 33 с зажимным болтом 34. На гайке 33 закреплен сменный конфузор 35, сопрягаемый с насадком коническим 32. Гайка 33 ограничена в свинчивании с насадка 32 кольцом 36. Сопряжение сопла 1 с нагнетателем 4 воздуха уплотнено прокладкой 37. Сопряжения: корпуса 8 и пилона 9; гайки 10 и насадка 32, оболочки 30 и сопла 31 уплотнены герметиком. Насадок 32, конфузор 35, оболочка 30, сопло 31 ограничивают основной контур 2 сопла 1. Оболочка 30, сопло 31 разделяют контуры 2 и 3 сопла 1.
1
2
Способ диспергирования жидкости осуществляют диспергатором следующим образом: нагнетателем подают в сопло воздух с давлением, обеспечивающим сверхкритический перепад его давлений на сопле 1. Воздух разгоняют до звуковой скорости в критических сечениях: K в основном 2 контуре и К во вспомогательном 3 контуре. Далее воздух разгоняют до сверхзвуковой скорости в косых срезах: 38 основного 2 контура и 39 вспомогательного контура 3; сопла 1. В форсунку 5 через пилоны 9 насосом 6 подают жидкость через регулятор 7 давления Р.Д., который поддерживает постоянство давления жидкости заранее заданной величины в диапазоне 0,8÷1,2 МПа. Такой диапазон выбран с целью максимально повысить уровень гидравлической энергии с задачей получения максимально возможной скорости течения струй жидкости из форсунки 5, но и в то же время предотвратить возможную кавитацию жидкости в струе, способной повредить поверхность седла 25 и плунжера 18. Поток жидкости прогоняют в канале, образованном полым корпусом 8 форсунки 5, седлом 25 и завихрителем 13, где его закручивают предварительно венцом 27 и окончательно венцом 28. Ширина S направляющих каналов 40 венца 28, количеством четырех и более штук на венце 28, выполнена в четырех и более вариантах величины, необходимых для подбора величины общей площади каналов 40 с целью обеспечить максимальную скорость вращения потока жидкости в выбранном варианте диапазона расхода жидкости диспергатора. Ограничение диапазонов возможно в случае применения диспергатора для обработки площадей сельскохозяйственных культур малой величины, в местности со сложным рельефом и ограниченной свободой маневра транспортных средств или заданной минимально возможной дисперсностью аэрозоля. Изменение величины S направлено на максимально возможное использование потенциала функциональности диспергатора. Вращающийся поток жидкости выбрасывают через круговую щель в сопряжение седла 25 и плунжера 18, изменением величины, которой от нуля до максимума регулируют расход жидкости. Центробежными силами в конусе распыла жидкость гидравлическим воздействием предварительно дробят на капли. Величина абсолютной скорости капель практически неизменна, меняются лишь величины взаимосвязанных составляющих абсолютной скорости в зависимости от величины расхода жидкости: окружная от минимума до максимума, радиально - осевая, в то же время - от максимума до минимума. Капли жидкости диспергируют в аэрозоль пневматическим воздействием в поле ультразвуковых колебаний воздуха сверхзвуковой струи из контура 3, генерируемых резонатором Гартмана 11, возбуждаемым этой струей. При увеличении расхода жидкости, как известно, падает величина удельной энергии пневматического воздействия на капли, но в нашем случае компенсируют это снижение увеличением скорости окружной составляющей. Это приводит к изменению направления вектора абсолютной скорости капель, практически все ближе приближающегося к касательной окружности круговой щели, что наряду с увеличением относительной скорости соударения капель жидкости со струей воздуха значительно увеличивает время их пребывания под пневматическим воздействием поля ультразвуковых колебаний воздуха, например по сравнению с радиально-осевым направлением полета капель. Увеличение окружной составляющей скорости капель вызвано увеличением расхода жидкости при неизменной величине проходной площади направляющих каналов 40, 41 венцов 27 и 28 завихрителя 13. Дополнительно к гидравлическому и пневматическому воздействию, капли жидкости дробят также механическим воздействием поверхностей, консольно расположенных, в колеблющихся с вынужденной ультразвуковой частотой плунжера 18 и резонатором 11, вызваных воздействием на них ультразвуковых колебаний воздуха.
Аэрозоль направляют для окончательного пневматического диспергирования в сверхзвуковую струю воздуха из контура 2, где достигают необходимые величины его дисперсности и степени полидисперсности, и готовый аэрозоль транспортируют сверхзвуковой струей воздуха из сопла 1 к месту его применения.
Регулирование дисперсности аэрозоля, в том числе полидисперсности, осуществляют плавным изменением расхода жидкости путем вращения резонатора Гартмана 11, плавным измением расхода воздуха из основного контура 2 сопла 1 путем вращения гайки 33 или дискретным изменением расхода воздуха контура 2 путем замены сменного конфузора 35. Дискретное регулирование расхода воздуха путем замены сменного сопла 31 позволяет не только настроить на нужный режим работы резонатор Гартмана 11, но и регулировать дисперсность и полидисперсность аэрозоля. Многократное воздействие на жидкость гидравлического и пневматического разбиения путем комбинирования величин (сил) и отдельных воздействий позволяет регулировать степень полидисперсности аэрозоля при сохранении величины дисперсности на достигнутом уровне.
Применение изобретения на практике позволит эффективно и качественно диспергировать жидкость, и получать аэрозоль необходимой кондиции.