Форсунка вакуумно-вихревая низкого давления с эжектирующим факелом
LOW-PRESSURE VACUUM-VORTEX NOZZLE WITH EJECTING FLAME

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве устройства для диспергирования жидкостей в градирнях, насадочных колоннах, камерах орошения, в брызгальных бассейнах и тому подобных тепломассообменных агрегатах. Наиболее эффективно использование предлагаемой форсунки в скрубберах, градирнях и других контактных аппаратах эжекционного типа, рабочее давление в которых менее 0,1 Мпа.
Наиболее близкой по своим техническим решениям является струйно-вихревая форсунка с эжектирующим факелом, представленная в патенте RU, №2561107 - прототип.
Данная форсунка имеет следующие недостатки.
Распределительная камера и завихритель образуют проточные каналы сложной конфигурации, неоднократно меняющие форму и сечение проточной части, изменяющие направление и скорость движения потока. Это приводит к увеличению гидравлического сопротивления внутри форсунки, а, соответственно, к увеличению рабочего давления и пропорциональному снижению расхода жидкости. Диаметр вихревой камеры значительно меньше диаметра корпуса, а потоки поступают в нее из периферийной части форсунки. Это ограничивает угловую скорость вращения вихря в сопловом отверстии, от которой зависят величина центробежной силы и скорость выхода потока из форсунки.
Задачами данного изобретения являются: увеличение расхода жидкости через форсунку при одновременном снижении рабочего давления, а также повышение эжектирующей способности факела.
Для решения этих задач предложена вакуумно-вихревая форсунка низкого давления с эжектирующим факелом, конструкция которой представлена на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 - общий вид форсунки в сборе в сочетании с осевым разрезом. На фиг. 2 - внешний вид завихрителя.
Форсунка включает в себя насадку 1 с резьбовым хвостовиком и диспергатор 2 с сопловым отверстием, которые соединены между собой резьбовой парой, образуя корпус форсунки. Внутри корпуса расположен завихритель 3. Для герметизации форсунки обе резьбовые пары снабжены уплотнительными кольцами 4 и 5.
Насадка 1 полусферической формы имеет гладкие стенки.
Диспергатор 2 имеет шлемовидную выпукло-вогнутую форму, плавно сужающуюся к сопловому отверстию. Конфузорное сопловое отверстие в горловине переходит в диффузорный раструб значительно большего диаметра. Для удобства сборки и монтажа форсунки резьбовой хвостовик и диффузорный раструб снаружи имеют форму многогранника.
Завихритель 3 состоит из обтекателя в центральной части и направляющего аппарата на периферии. Обтекатель со стороны резьбового хвостовика имеет кок полусферической формы, переходящий в цилиндр. Со стороны соплового отверстия обтекатель имеет полусферическую впадину с коническим выступом на оси. Направляющий аппарат представляет собой систему консольных дугообразных лопаток 6, расположенных на цилиндрической части обтекателя. Направляющий аппарат условно делит всю проточную часть форсунки на распределительную и вихревую камеры.
Стенки, образующие распределительную камеру в объеме насадки гладкие. Поверхности диспергатора изнутри и лопаток на выходе направляющего аппарата, формирующие вихревую камеру, имеют множество полусферических выступов 7 различной величины.
Форсунка работает следующим образом. Поток жидкости поступает в распределительную камеру и, омывая кок, попадает в направляющий аппарат. Дугообразные лопатки аппарата изменяют вектор движения уже распределенного потока от аксиального до тангенциального. Затем, в объеме вихревой камеры поток начинает двигаться по окружности, создавая стремительно вращающийся вихрь. В его периферийной части существенно возрастает давление, под действием которого поток перемещается к сопловому отверстию. По мере уменьшения радиуса вихря его угловая скорость многократно возрастает, вследствие действия закона сохранения количества движения. После соплового отверстия центробежная сила формирует поток в виде полого конуса.
При движении в проточной части форсунки поток изменяет свое направление - от радиального в распределительной камере к аксиальному в направляющем аппарате и тангенциальному в вихревой камере. Для снижения гидравлических потерь в местных сопротивлениях вся проточная часть форсунки имеет плавные формы.
В распределительной камере поток движется с малыми скоростями под действием низких давлений, и ее гладкие стенки минимизируют гидравлические потери на трение.
На выходе направляющего аппарата поток начинает двигаться тангенциально, и его скорость возрастает, вследствие искривления лопаток и соответствующего уменьшения проходного сечения.
В вихревой камере поток движется в турбулентном режиме, так как непрерывно поступающие объемы жидкости постоянно разгоняют вихрь, существенно увеличивая скорость его движения.
При турбулентном режиме очень значительная часть потерь давления наблюдается в ламинарной прослойке пограничного слоя. Наличие полусферических выступов приводит к образованию множества локальных вихрей. Вихри, как бы отрывают поток от стенок, устраняя ламинарную прослойку, и нарушают сплошность среды. Часть потока над полусферической впадиной обтекателя вообще не соприкасается с твердыми стенками, а в ее объеме давление падает, вследствие вращения вихря, вплоть до образования вакуума. В результате падения давления жидкость в этой зоне вскипает, что в сочетании с локальными вихрями, еще более разрыхляет поток. Такой характер движения потока в вихревой камере приводит к значительному снижению гидравлических потерь на трение. Находящаяся в этом состоянии, жидкость вырывается из соплового отверстия и под воздействием центробежных сил, легко превращается в дисперсную среду.
Конструкция составных частей форсунки и минимально возможные потери энергии обеспечивают высокую скорость движения капель и мелкое диспергирование при малых давлениях. В результате снижения гидравлических сопротивлений проточной части форсунки уменьшается рабочее давление, а расход жидкости через форсунку соответственно возрастает.
Стендовые испытания показали, что факел в виде полого конуса, состоящего из множества мелких капель, движущихся с большими скоростями, обеспечивают значительное увеличение коэффициента эжекции.
Таким образом решаются все поставленные задачи. Кроме того, мелкое диспергирование воды в градирнях и высокие коэффициенты эжекции улучшают процесс ее охлаждения.