СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОКАПЕЛЬНОЙ СТРУИ
METHOD OF FORMING GAS-DROP JET

Изобретение относится к технологии получения высоко концентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель.
Получаемые струи могут быть использованы в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива и других отраслях, где необходимы мелкодисперсные и дальнобойные газокапельные струи.
Известны способы формирования жидкостных струй, одни из которых обеспечивают дальнобойность струи за счет увеличения давления в системе подачи жидкости, а другие - за счет подачи потока газа в сопло установки.
Известен способ формирования газокапельной струи, который заключается в использовании эжектирующего действия газовой струи, подаваемой в газоструйный насадок сопла, для разгона жидкости и увеличения дальности полета струи (авт.св №380279 по кл. А01G 25/00, 1973).
Известен способ формирования газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (патент РФ №2243036 по кл. В05В 7/10, 2002).
Недостатками известного способа являются:
- ограниченный характер используемых приемов формирования двухфазного потока;
- снижение эффективности газокапельной струи, в частности, из-за потерь кинетической энергии жидкости в осевом направлении за счет значительных радиальных составляющих скорости при формировании струи газокапельной структуры.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ формирования газокапельной струи, который реализован с помощью устройства для создания газокапельной струи, включающего камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа, и связанное с ним газодинамическое сопло, выполненное, по крайней мере. двухконтурным, коаксиальным, при этом каждый контур выполнен с профилированным каналом, которые однонаправлены (патент ПМ №57151 по кл. В05В 7/06, 2006).
Недостатком известного способа является малая дальнобойность струи, создаваемой известным способом, т.к. увеличение дальнобойности двухфазовой струи может быть достигнуто при прочих равных условиях только путем совместного увеличения расхода жидкости и расхода газа.
Для тушения лесных, торфяных и т.д. пожаров необходимо часто пополнять ресурсы воды, что является технически сложным, а ресурсы воды ограничены.
Увеличение только расхода газа для формирования газокапельной струи уменьшает дальнобойность струи.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является разработка способа формирования газокапельной струи, позволяющего увеличить дальнобойность струи без увеличения содержания в ней конденсированной фазы жидкости.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа формирования газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, подачу полученного смешением двухфазного газокапельного потока в двухконтурное сопло во внешний его контур, и разгон газокапельного потока, в котором, согласно изобретению, создают дополнительный газовой поток и подают его во внутренней контур сопла, причем двухфазный газокапельный поток и дополнительный газовый поток разгоняют раздельно в одном направлении, при этом скорость разгона дополнительного газового потока больше скорости разгона двухфазного газокапельного потока.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить дальнобойность двухфазовой струи за счет большей скорости разгона дополнительного газового потока, т.к. за счет передачи его энергии двухфазному потоку увеличивается энергия и скорость двухфазного газокапельного потока уже после его выхода из сопла.
Все вышесказанное позволяет сделать вывод: предлагаемое изобретение повышает дальнобойность газокапельной струи.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных способах формирования газокапельной струи, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся способами создания газокапельной струи, они явным образом не следуют из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию изобретения «изобретательский уровень».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления предлагаемого изобретения.
Предлагаемый способ формирования газокапельной струи поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где показана схема устройства для осуществления способа формирования газокапельной струи.
Устройство для формирования газокапельной струи включает камеру 1 формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости 2 и газа 3 и двухконтурное коаксиальное газодинамическое сопло 4.
Двухконтурное коаксиальное газодинамическое сопло 4 состоит из однонаправленных каналов - внешнего канала 5, предназначенного для ускорения газокапельного потока дисперсной структуры и получения газокапельной струи, и внутреннего канала 6, предназначенного для ускорения дополнительного газового потока и связанного с имеющимся или дополнительным источником газа 7.
Входы подачи жидкости 2 и газа 3 связаны с устройствами подачи жидкости 8 и газа 9.
В зависимости от технологических возможностей в качестве дополнительного источника газа 7 может быть использовано устройство подачи газа 9.
Предлагаемый способ формирования газокапельной струи осуществляют следующим образом.
Рабочие тела газ (например, воздух и воду) направляют в камеру формирования двухфазного газокапельного потока 1, где жидкость диспергируют и создают двухфазный поток газокапельной структуры.
Двухфазный газокапельный поток, образованный в камере формирования двухфазного газокапельного потока, поступает во внешний канала 5 двухконтурного коаксиального газодинамического сопла.
В то же время дополнительный газовый поток направляют во внутренний канала 6 двухконтурного коаксиального газодинамического сопла.
Затем потоки разгоняют в одном направление, но с разными скоростями. Скорость разгона дополнительного газового потока больше скорости разгона двухфазного газокапельного потока.
На выходе из двухконтурного сопла формируется струя смешанной структуры, это позволяет увеличить дальность струи. Сущность этого процесса заключается в следующем.
Двухфазная газокапельная струя, движущаяся в неподвижной окружающей среде, взаимодействует с ней, обменивается с ней массой, энергией и количеством движения (импульсом). В результате такого обмена газокапельная струя тормозится, теряет скорость и, соответственно, дальнобойность. Двухфазная газокапельная струя, взаимодействующая с потоком, движущимся с большей скоростью, в результате обмена массой количеством движения и энергией ускоряется, увеличивает скорость и, соответственно, увеличивает свою дальнобойность. В газокапельной струе скорости газа и капель примерно одинаковы, а дальность струи определяется инерционностью капель, которая зависит от скорости движения капель. Внутренний газовый поток, имея скорость, больше скорости капель, начинает ускорять их, передавая им дополнительную энергию. При этом количество движения газокапельной струи увеличивается, и, соответственно, увеличивается дальность полета струи.
В качестве источника газа может быть использована турбокомпрессорная установка.
Турбокомпрессорная установка может быть снабжена насосом для обеспечения необходимых параметров жидкости.
к
ж
г1
г2
г2
ж
Параметры устройства для осуществления предлагаемого способа, такие как давление Р в камере формирования двухфазного газокапельного потока 1, массовые секундные расходы жидкости С и газа G для формирования двухфазного газокапельного потока; массовые секундные расходы жидкости газа G для подачи во внутренний контур; начальное давление газа Р и начальное давление жидкости Р и распределение расходов по потокам выбирают из условия получения заданной длины распространения струи.
Как показывают расчеты, предложенный способ формирования газокапельного потока в двухконтурном сопле позволяет увеличить дальность струи на 10-30% при прочих равных условиях с прототипом.
Работа предлагаемого изобретения была опробована следующим образом.
Предлагаемое устройство устанавливают в исходное положение.
Двухконтурное коаксиальное газодинамическое сопло с потоком газокапельной структуры направляют в сторону объекта, к которому должна осуществляться подача газокапельной струи.
Были проведены исследования при следующих параметрах:
к
Р=5×105 Па - давление в камере смешения;
ж
G=50 кг/с - массовый расход жидкости;
г1
G=1,25 кг/с - массовый расход газа во внешнем контуре;
г2
G=1.25 кг/с - массовый расход газа во внутреннем контуре;
ж
Р=10×105 Па - давление жидкости;
г2
Р=2×105 Па - давление газа во внутреннем контуре.
Расходы газа в двухфазном потоке и потоке газа во внутреннем контуре распределялись как отношение один к одному.
Дальность распространения струи по сравнению с известным способом увеличивается при данных условиях на 25%.
Полученные результаты по распространению газокапельной струи свидетельствуют о том, что параметры, выбранные в соответствии с вышеуказанными условиями, и получение струи в соответствии с предложенным способом позволяют повысить дальнобойность струи без увеличения содержания в ней конденсированной фазы жидкости путем рационального использования газа.
В частности дальность полета струи увеличилась на 25% по сравнению с прототипом при одинаковых граничных условиях.
Сведения, полученные при испытаниях, подтверждают возможность осуществления предлагаемого способа формирования газокапельной струи и возможность достижения технического результата, заключающегося в увеличении дальнобойности газокапельной струи.
Наиболее эффективно использование изобретения в противопожарной технике при тушении пожаров на объектах, где необходимо использование минимального количества жидкости с максимальной эффективностью (снижение ущерба от самого процесса тушения), в климатических установках для сельского хозяйства, медицины, экологии и др.