РАСПЫЛИТЕЛЬ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ
PULSE SPRAYER OF POWDERY SUBSTANCES

Изобретение относится к устройствам для создания однородной аэрозольной смеси, существующей в течение заданного времени, и может быть использовано для создания аэрозольных смесей в замкнутых объемах, необходимых:
- для определения взрывоопасных концентраций угольной пыли и пыли из торфа в воздухе, а также смесей воздуха и пыли органических и неорганических веществ, образующейся при их измельчении;
- для использования в мощных источниках оптического излучения с большой площадью облучения;
- для моделирования процессов выброса в атмосферу и оседания на поверхность земли аэрозолей из радиоактивных и химических веществ при аварийных ситуациях на химических производствах, тепловых и атомных электростанциях;
- для моделирования высокотемпературных запыленных и ионизированных сред различной природы с целью изучения их оптических и радиофизических характеристик, а также влияния на окружающую среду;
- для создания аэрозольных (металло-воздушных) объемно-детонирующих зарядов, используемых в народно-хозяйственных и военных целях и т.д.
Известны устройства для распыления порошкообразных веществ - распылитель порошков [1, 2]. Принцип действия указанных устройств основан на завихрении порошка в камерах распылителей потоком газа и подаче полученной аэрозольной смеси в реакционный объем.
Недостатком данных устройств является то, что они обеспечивают удовлетворительную однородность аэрозоля только при небольшой массе распыляемого порошка. Время существования облака аэрозоля с заданной концентрацией порошка мало, что характерно для метода подачи порошка сверху вниз.
Более совершенным является распылитель порошка циклического действия [3], который содержит корпус с соплом для подачи газа и камеру для размещения навески порошка. Однако указанный распылитель не пригоден для создания однородного аэрозоля с высокой концентрацией твердых частиц, что необходимо для создания оптимальных условий прохождения термохимических реакций окисления. Кроме того, концентрация твердых частиц в смеси, выходящей из распылителя, изменяется во времени, что не позволяет обеспечить однородность аэрозоля во всем реакционном объеме.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является распылитель порошкообразных веществ импульсного действия [4], который содержит корпус с выполненным в нем соплом для подачи газа и тарелку для навески порошка, которая выполнена в нем подвижной в вертикальном направлении и поджата к охватывающему ее корпусу упругим элементом, соединена шарнирно с якорем электромагнита, приводящего ее в движение. Данное устройство взято в качестве прототипа.
3
2
Однако указанное устройство обеспечивает создание практически однородной аэрозольной смеси в замкнутом реакционном объеме только емкостью до 2 м, что недостаточно для указанных выше направлений его использования. При эксплуатации данного устройства было установлено, что для повышения массы распыляемого порошка необходимо повышать давление газа в камере распылителя. При этом скорость движения тарелки с повышением давления снижается, а качество (однородность) аэрозольной смеси ухудшается. При давлении газа более 1 кгс/см усилие электромагнита становится недостаточным для перемещения тарелки вниз, вследствие чего устройство перестает работать.
3
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение импульсного распыления порошкообразного материала массой до 10 кг для создания однородной аэрозольной смеси в большом объеме (≥10 м).
Поставленная задача решается путем конструктивного исполнения распылителя, который содержит корпус, состоящий из двух частей - нижней и верхней, механически соединенных между собой, коническую насадку для размещения порошка, установленную в верхней части корпуса, тарелку, поджатую через калиброванные вставки к входящему внутрь нее кольцевому выступу верхней части корпуса упругим элементом, например, цилиндрической пружиной, образуя кольцевое сужающееся сопло, формирующее при движении газа кольцевой турбулентный вихрь, распыляющий порошок в газовую среду реакционного объема за счет газообразных продуктов, поступающих в буферную полость распылителя через отверстия от дополнительно введенного порохового генератора.
Калиброванные вставки обеспечивают получение оптимального для данного гранулированного состава и типа порошка зазора между тарелкой и корпусом для выхода импульсного потока распыляющего газа, который создается дополнительно введенным пороховым генератором, сообщающимся с буферной полостью распылительного устройства через специальные отверстия. Для увеличения массы используемого порошка распылитель снабжен конической насадкой.
Новизна предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в следующих отличительных признаках:
1. Тарелка для навески порошка поджата к входящему внутрь нее кольцевому выступу верхней части корпуса упругим элементом через калиброванные вставки, обеспечивающие одинаковую по всему периметру щель для выхода распыляющего газа;
2. Для увеличения массы распыляемого порошка корпус распылителя снабжен конической насадкой;
3. Для создания импульсного потока распыляющего газа устройство дополнено пороховым генератором.
Эти изменения обеспечивают качественное распыление металлического порошка большой массы (из любого металла) за счет импульсного газового потока, который, выходя из сужающегося кольцевого сопла с избыточным давлением, импульсно воздействует на распыляемый материал. Кольцевое сопло, образованное внутренней конусной поверхностью тарелки и внутренним кольцевым выступом верхней части корпуса, улучшает распыление порошка, так как газ от порохового генератора с ускорением направляется под навеску порошка. При этом на выходе распылителя образуется поток аэрозольной смеси в виде турбулентного кольцевого вихря, что способствует наряду с распылением качественному перемешиванию твердых частиц с рабочим газом (воздухом, кислородом и т.д.) в реакционном объеме распылителя.
Предлагаемый распылитель представлен на Фиг.1.
Распылитель состоит из корпуса 1, имеющего нижнюю 2 и верхнюю 3 части, механически соединенные между собой. Внутренний кольцевой выступ 4 верхней части корпуса 3 входит в тарелку 5, причем ее внутренняя конусная поверхность и внутренняя поверхность кольцевого выступа 4 верхней части корпуса 3 образуют сужающееся кольцевое сопло 6. Тарелка 5 через калиброванные вставки 7 поджата к внутреннему кольцевому выступу 4 верхней части корпуса 3 упругим элементом, например, цилиндрической пружиной 8, что обеспечивает равномерную щель в кольцевом сопле 6 по всему его периметру. Коническая насадка 9 для размещения порошкообразного вещества 10 вставлена внутрь кольцевого выступа 4 верхней части 3 корпуса распылителя. Полиэтиленовый баллон 11 с размещенным в нем электровоспламенителем 12 образуют реакционный объем 13. Баллон с помощью хомута 14 закрепляется на фланце 15, приваренном к верхней части 3 корпуса распылителя.
Пороховой генератор 16 (импульсный источник газа) выполнен таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное поступление газа в буферную полость 17 распылительного устройства через отверстия 18 в нижней части 2 корпуса распылителя.
Скорость импульсного потока газа зависит от давления газа в буферной полости 17 распылителя, которое определяется массой порохового заряда 19. Для обеспечения качественного распыления порошка и получения высокой однородности аэрозоля в реакционном объеме величина щели кольцевого сопла и масса порохового заряда подбираются экспериментально для каждого типа порошка (уголь, торф, алюминий, магний и т.д.). Указанные параметры зависят также от гранулометрического состава порошка, удельного веса используемого материала и размеров реакционного объема.
Работу распылителя рассмотрим на примере его использования в качестве мощного термохимического источника оптического излучения.
Порошкообразное вещество 10 заданной массы насыпается в коническую насадку 9 на поверхность тарелки 5. Монтируется полиэтиленовый баллон 11. В нем же на специальной петле крепится электровоспламенитель 12 для инициирования реакции окисления алюминиевого порошка в кислороде.
В стакан 20 порохового генератора 16 засыпается расчетная навеска пороха 19. Далее стакан с порохом с помощью фланца 21 крепится к корпусу распылительного устройства. К клемме свечи 22 подсоединяется провод подачи высоковольтного электрического импульса для воспламенения пороха. Затем полиэтиленовый баллон наполняется рабочим газом (кислородом).
После проверки готовности всех подсистем подается электрический сигнал на свечу 22 для поджига порохового заряда 19. Пороховой заряд 19 поджигается и продукты его горения из порохового генератора через отверстия 18 поступают в буферную полость 17 распылительного устройства, где интенсивно перемешиваются с выравниванием давления и поступают в кольцевое сопло 6 распылительного устройства. Продукты горения пороха, двигаясь в кольцевом сопле с ускорением, подхватывают распыляемый порошок 10 и выносят его в реакционный объем 13. При этом порошок интенсивно перемешивается с рабочим газом (кислородом) за счет образовавшегося кольцевого турбулентного вихря.
После завершения процесса перемешивания (примерно через 0,2-0,5 с) подается электрический сигнал на электровоспламенитель 12. При его срабатывании инициируется реакция окисления порошкообразного вещества, например, алюминия, окисление которого происходит с интенсивным выделением тепла. Вследствие этого температура в реакционном объеме быстро повышается примерно до 4000 K. За счет воздействия высокотемпературной среды и поглощения оптического излучения полиэтиленовый баллон разрушается. Разогретые до указанной выше температуры продукты реакции окисления порошкообразного алюминия интенсивно излучают в видимой и ИК - областях спектра. Реакция окисления продолжается до полного расходования одного (или обоих, если их массы были правильно подобраны) компонентов аэрозольной смеси.
3
В организации-заявителе разработана конструкторская документация на предлагаемый распылитель и изготовлен его опытный образец, который был испытан в различных режимах работы (с разными типами порошков разной массы). Испытания подтвердили его работоспособность и получение положительного эффекта - получение однородной смеси твердых частиц порошка в газообразных средах объемом более 10 м при массе распыляемого порошка до 10 кг.
Список использованных источников
1. Авторское свидетельство СССР №386328, 1983.
2. Авторское свидетельство СССР №642563, 1985.
3. Авторское свидетельство СССР №1053891, 1981.
4. Авторское свидетельство СССР №1327987, 1987.