ВЫСОКОДИСПЕРСНЫЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к распылителям жидких веществ. Применяется для нанесения защитных покрытий на изделия, их окраски, для очистки газов от механических примесей, увлажнения воздуха.
Аналогом изобретения являются широко известные конструкции распылителей покрасочных пистолетов, пескоструйных установок, эжекторных насосов [1] и устройства, применяемые в реактивных и двигателях внутреннего сгорания, использующие пульверизационный способ образования горючей смеси t2]. Недостаток -малая степень распыления вещества и большой угол расхождения струи распыленного вещества на выходе устройств.
Прототипом изобретения является широко применяемая в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания распылительная система топлива - диффузор [2],
состоящая из круглого аксиально-симметричного воздуховода, стенки которого вначале конусно сужаются, а затем расширяются по образцу сопла Ловаля [3], канала подачи распыляемого жидкого топлива, установленного таким образом, что жидкость подается в область наибольшего сужения воздуховода через отверстие в его боковой стенке, пересекая движение газовой струи в воздуховоде. Недостаток - малая степень распыления жидкого топлива и большой угол расхождения струи на выходе диффузора, поскольку жидкость, двигаясь поперек газовой струи, замедляет ее продольную скорость и ухудшает ламинарность потока.
Целью изобретения является увеличение степени распыления жидкого вещества и уменьшение угла расходимости струи распыленного вещества на выходе распылителя.
Поставленная цель достигается тем, что в высокодисперсный распылитель. состоящий из воздуховода, канал которого выполнен в виде круглой трубы, на выходе которой стенки вначале конусно сужаются, а затем расширяются, образуя сопло Ловаля, канала подачи распыляемой жидкости, отличающийся тем, что выход круглого аксиально-симметричного канала подачи распыляемой жидкости имеет конусное сужение, через которое жидкость подается в центр области наибольшего сужения сопла Ловаля воздуховода соосно и однонаправлено с движением воздушной струи в воздуховоде.
Известно, что в критическом сечении сопла Ловаля массовая скорость потока может достигать местной скорости звука, а при дальнейшем движении потока в области сопла расширяющегося заданным образом, его скорость может превосходить местную скорость звука [3].
В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении появляется новое физическое свойство, а именно:
- поскольку поток газа и поток жидкости, впрыскиваемый предложенным образом в область критического сечения сопла Ловаля, двигаются в одном направлении, а разница их скоростей уменьшается за счет дополнительного ускорения жидкости при ее прохождении через конус канала подачи, это способствует снижению турбулентности и потери скорости газового потока, налетающего на впрыскиваемую жидкость.
- Поток жидкости, проходя через конусное сужение канала подачи попадает в расширяющийся воздушный конус и образует водно-воздушный конус, конфигурация которого формируется в результате самосогласованного взаимодействия потока жидкости с газовым потоком. Поскольку любая свободная система в потенциальном поле сил стремится занять положение, соответствующее минимуму ее энтропии, то профиль конуса расширения для жидкости будет оптимизироваться газовым потоком таким образом, чтобы энергия, затрачиваемая потоком жидкости на торможение и искажение трубок тока газового потока была минимальна.
- Эти факторы способствуют улучшению ламинарности смешанного газожидкостного потока и увеличению его скорости на участке между критическим сечением и выходом сопла Ловаля, что уменьшает как угол расхождения жидкост-ногазового потока на выходе распылителя, так и давление в этой области, способствуя повышению эффективности распыления жидкости. Возникшие новые физические свойства приводят к возникновению положительного эффекта в заявленном изобретении, выражающегося в том, что увеличивается степень распыления жидкого вещества и уменьшается угол расходимости струи распыленного вещества на выходе высокодисперсного распылителя по сравнению с прототипом и аналогами.
Широко известны устройства, в которых используется заранее заданный профиль сопла Ловаля [1, 3], но устройств, в которых формирование части подобного сопла, а именно, профиля конуса расширения жидкости производится в динамическом режиме самонастройки в результате взаимодействия двух потоков с учетом местных параметров этих потоков не обнаружено.
Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно, наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшее к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.
На рис.1 показан высокодисперсный распылитель, состоящий из воздуховода 1, внутренняя часть которого выполнена в виде круглого аксиально-симметричного канала, выход которого имеет конусные сужение и расширение 2, выполненные по тем же законам, что и сопло Ловля, канал подачи распыляемой жидкости 3, установленный таким образом, чтобы его выход совпадал с критическим сечением А-А сопла Ловаля. Распыляемая жидкость в область критического сечения А-А подается через отверстие 4 канала подачи распыляемой жидкости, имеющее конусное сужение на выходе 3. Газ подается в воздуховод 1 через штуцер 5, размещенный на противоположном от сопла Ловаля конце воздуховода. Внешний профиль канала подачи распыляемой жидкости 3 и его размеры выбраны из тех условий, чтобы его установка в сужающемся конусе 2 воздуховода 1 практически не нарушала бы закономерностей движения газа через сопло Лова-ля. В экспериментальном образце в качестве газа использовался сжатый воздух, жидкостью была вода. Воздух, поступая в воздуховод 1 через штуцер 5, проходил по каналу воздуховода и после сжатия в сходящемся конусе 2 его скорость увеличивалась
и могла достигать местной скорости звука в критическом сечении А-А, где создавалось разряжение, которое способствовало дополнительному увеличению скорости воды, поступающей из 3, рис.1. Вода, проходя по каналу распыляемой жидкости 3, увеличивала свою начальную скорость в конусе на выходе отверстия 4. Таким образом, установка канала распыляемой жидкости 3 на центральной продольной оси высокодисперсного распылителя соосно потоку движению воздуха в воздуховоде 1, наличие разряжения в сечение А-А и дополнительное увеличение скорости воды в конусе 4 уменьшали разброс относительных скоростей воздушного и водного потоков по сравнению с прототипом, где жидкость более тяжелая чем газ подавалась в сопло под большим углом к воздушному потоку, в результате чего увеличивалась его турбулентность, уменьшалась скорость потока и увеличивалось давление в критическом сечении сопла у прототипа. Предложенная конструкция позволяет увеличить массовую скорость потока в критическом сечении сопла по сравнению с прототипом. По мере расхождения высоколаминарного воздушного потока в раскрывающемся конусе сопла Ловаля 2 частички воды, подхваченные струями воздушного потока, начинают формироваться в расходящийся конус таким образом, чтобы как можно меньше нарушался энергетический баланс между двумя системами, водной и воздушной, вся система саморегулируется. Так создаются условия для достижения максимальной скорости и минимальной турбулентности потока в зоне между критическим сечением сопла Ловаля и выходом распылителя. Температура потока Т связана с его скоростью выражением [3]
где То- начальное значение температуры, Cm- местная скорость звука, V- скорость потока, χ - показатель адиабаты. Местная скорость звука Cm определяется в [3]
где Т- абсолютная температура газа, В- удельная газовая постоянная, χ - показатель адиабаты. Поскольку массовая скорость потока в заявленном изобретении будет больше, чем в прототипе, температура и местная скорость звука - меньше (следует из формул (1, 2)), а давление в нем, согласно [3]
0
где Р- давление струи в критическом сечении сопла Ловаля, Cm- местная скорость звука, V - массовая скорость струи в конусе раскрытия сопла Ловаля, с учетом выражений (1) и (2) в этой области уменьшается тем сильнее, чем большее значение имеет скорость V. Поскольку массовая скорость потока V в заявленном изобретении больше, чем в прототипе, следовательно, дисперсия водной струи в нем будет происходить в условиях меньшего давления и большей скорости воздуха по сравнению с прототипом. Известно, что процесс кипения и парообразования при малых давлениях происходит при меньших температурах, поскольку ослабляется удерживающее действие сил поверхностного натяжения. Перечисленные факторы (меньшее давление и большая скорость потока) будут способствовать увеличению степени распыления жидкого вещества. Водно-воздушный поток в предложенном изобретении имеет большую скорость и меньшую турбулентность,
чем в прототипе, что позволяет уменьшить угол расхождения струи на выходе высокодисперсного распылителя. Поскольку жидкость подается в центр воздушной струи, уменьшается ее расход, вызванный отеканием по боковым стенкам воздуховода, что имеет место в прототипе. Это позволяет более эффективно расходовать распыляемое вещество. В экспериментальном образце при давлении воздуха, равном 4 атмосферам, вода распылялась до состояния тумана, формируя узконаправленный луч длиной 12-15 метров, температура в котором была меньше температуры используемой воды на 5-7 градусов С. Увеличение давления вызывает соответствующий рост длины луча.
Предлагаемый высокодисперсный распылитель прост и надежен в эксплуатации, отличается уменьшенным расходом воды и низкой себестоимостью. Его можно использовать для создания противопожарных установок, формирующих длинный луч перенасыщенного водного тумана, эффективных в борьбе с пожарами, особенно лесными, поскольку водный туман заполняет весь объем, в котором происходит горение, на время, достаточное для гарантированного прекращения этого процесса. Противопожарная авиация, снабженная подобными установками, может потушить значительно большие площади за счет экономного расходования воды и более эффективного тушения при той же полезной загрузке. Целесообразно использовать предлагаемое изобретение в установках для осаждения пылевых облаков в зоне техногенных и природных катастроф, в скрубберах и иных поглотителях для улучшения очистки воздуха в условиях вредных производств, в шахтах, взрывоопасных по пыли и газу, и других отраслях народного хозяйства.