СПОСОБ СОЗДАНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ОБЛАКА РАСПЫЛА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
FLUID ATOMISATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и оборудованию для распыления жидкости в технологических процессах, требующих высокого качества распыления при диспергировании и нанесении пестицидов и (или) других физиологически активных веществ, в том числе бактериальных и вирусных препаратов, используемых для борьбы с вредными насекомыми и болезнями растений, нежелательной растительностью, дезинфекции и дезинсекции помещений, дезактивации зараженных площадей, вакцинации и иммунизации животных и людей через дыхательные пути. Может быть использовано в лесном и сельском хозяйствах, животноводстве, здравоохранении и других областях жизнедеятельности человека.
Известен наземный способ распыления при помощи штанговых опрыскивателей (МПК7 А01М 7/00, А01С 23/04, A01G 25/09 RU 2120751 C1 от 08.11.1995). Рабочая жидкость из резервуара под давлением подается на распылители, расположенные на штанге, приводимой в движение транспортным средством. Данный способ имеет недостатки: низкая производительность - до 100 га в смену; большой расход рабочей жидкости на единицу площади - 250 л/га; применим только в растениеводстве.
Известен авиационный способ распыления жидкости на растительность (МПК7 А01М 7/00, В05В 3/00, B64D 1/16 RU 13135 Ul от 18.08.99). Рабочая жидкость под давлением подается на форсунки, через которые производится распыление и осаждение рабочей жидкости под действием сил гравитации на объект обработки. Данный способ имеет недостатки: большой снос распыляемой жидкости за пределы обрабатываемых площадей - ширина санитарно-защитной зоны составляет 2 км; большой расход рабочей жидкости - 5-50 л/га и топлива на единицу обрабатываемой площади; большая трудоемкость. Применяется только в лесном и сельском хозяйствах.
Известен термомеханический генератор тумана TF 160 (патент DE3 225 933). Принцип работы генератора состоит в том, что рабочая жидкость впрыскивается в поток горячего, движущегося с высокой скоростью газа, образующегося при сгорании смеси воздуха и топлива. При этом жидкость сначала разбивается на мельчайшие капли, а потом эти капли почти мгновенно испаряются за счет высокой температуры газа. Эффект охлаждения, вызываемый расширением газа и его соприкосновением с относительно холодным воздухом, приводит к конденсации влаги в виде капелек размером 10-15 микрон. Эти капли формируют плотное облако, обычно называемое туманом, которое относится от точки своего образования за счет скорости вырывающегося из трубы газа. Данный генератор имеет широкий спектр применения и ряд недостатков: из-за высокой температуры в термомеханическом контуре невозможно использовать биологические и вирусные препараты; очень низкая производительность 16 га/час; не предусмотрено регулирование размера капель по дисперсному составу.
Известен способ диспергирования жидкости и диспергатор аэрозольный регулируемый для его осуществления (МПК7 В05В 17/00 RU 2449842 С2 от 21.07.2010, прототип способа). Способ диспергирования жидкости включает подачу жидкости от насоса и воздуха от нагнетателя и разгон последнего в сопле. Затем осуществляют предварительное гидравлическое дробление жидкости на капли в конусе распыла из форсунки и дальнейшее пневматическое диспергирование капель жидкости в поле ультразвуковых колебаний воздуха в сверхзвуковой струе его из вспомогательного контура сопла в аэрозоль. Далее осуществляют подачу аэрозоля для окончательного пневматического диспергирования в сверхзвуковую струю воздуха из основного контура сопла, транспортирующего аэрозоль к месту потребления. Затем производят регулирование дисперсности аэрозоля изменением величин расходов жидкости: форсункой плавно и воздуха плавно из основного контура сопла, вращение в форсунке осевого потока жидкости. Давление осевого потока жидкости поддерживают постоянной величиной. Максимальную скорость вращения потока поддерживают в заданных пределах независимо от установленного диапазона изменения величины расхода жидкости. Кроме того, регулируют дисперсность аэрозоля изменением расхода воздуха из вспомогательного контура и из основного контура дискретно. 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. Указанный способ имеет ряд недостатков:
1. Невозможно дистанционно осуществлять регулирование дисперсности аэрозоля изменением величины расхода жидкости в рабочем режиме. В данном конструкторском решении (как показали испытания) точная регулировка возможна только при полностью открытом кране расхода жидкости изменением площади выходного сечения впрыска рабочей жидкости вручную, а это возможно только лишь после полной остановки нагнетателя, очистки и дезактивации диспергатора.
2. Металлоемкость конструкции и сложность в изготовлении. Использование вспомогательного контура для предварительного диспергирования жидкости в поле ультразвуковых волн, генерируемых в потоке воздуха из вспомогательного контура резонатором Гартмана, значительно усложняет и утяжеляет конструкцию. Принцип действия генератора Гартмана (ГГ) основан на возникновении автоколебаний в сверхзвуковой струе вследствие ее торможения резонатором. ГГ является одним из типов газоструйных излучателей высокого давления, в которых источником звуковой энергии служит кинетическая энергия газовой струи при сверхкритических перепадах между рабочим давлением и давлением окружающей атмосферы (для воздуха обычно более 0.2 МПа). Взаимодействие основной и вытекающей из резонатора струй приводит к тому, что участок струи между скачком уплотнения и дном резонатора становится источником мощных акустических колебаний. При разных частотах акустических колебаний генератор как разбивает жидкость, так и коагулирует ее. Однако детально механизм образования в струе периодических ударных волн, излучаемых в окружающее пространство, до сих пор не выяснен. В данном техническом решении невозможно достичь акустических колебаний, т.к. они характерны для сверхзвукового течения газа, которое можно достичь в сопле, сначала суживающемся, а затем вновь расширяющемся с углом раскрытия диффузора в пределах 5-10° (сопло Лаваля, физическая энциклопедия / Под ред. A.M. Прохорова.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998), в то же время невозможно достигнуть сверхзвуковых скоростей при выпускании газа через суживающееся сопло вспомогательного контура.
3. Отсутствует контроль за сверхкритическим перепадом давлений (разгон потока). Данное техническое решение рассчитано на работу при сверхзвуковых скоростях потока сжатого воздуха. Тем не менее в конструкции диспергатора не предусмотрен контроль за перепадом давления при истечения потока.
По результатам проведенных в 70-80-х гг. прошлого столетия Институтом Химической Кинетики и Горения (ИХКиГ) СО РАН фундаментальных исследований по дисперсному составу аэрозолей был сделан вывод, что для получения качественного (близкого к монодисперсному) состава аэрозоля достаточно отрегулировать площадь впрыска рабочей жидкости в сверхзвуковой поток сжатого воздуха и изменением расхода жидкости (при постоянном расходе и давлении сжатого воздуха) регулировать дисперсный состав облака распыла. Эти выводы подтверждены испытаниями опрыскивателя в августе 2012 г. с различными типами диспергаторов на полигоне ИХКиГ СО РАН. Испытания прототипа также показали, что на рабочем режиме энергия воздушного потока подавляет энергию гидравлического истечения жидкости из форсунки, при этом невозможно осуществить точную регулировку расхода рабочей жидкости.
2
Известен генератор аэрозольный регулируемой дисперсности (ГАРД) (МПК7 А01М 7/00 RU 37300 U1 от 05.01.2004, прототип устройства), представляющий собой дизельный двигатель со сцеплением, в качестве отключающей муфты и коробкой перемены передач, с возможностью включения прямой и повышающей передач, в качестве редуктора привода компрессора, воздушную магистраль, состоящую из двух прямоугольных колен, с возможностью вращения относительно друг друга, сообщающую компрессор с диспергатором, фильтры грубой и тонкой очистки, два клапана сброса рабочих жидкостей в баки, гибкий рукав из эластомера, сообщенные между собой последовательно в напорной магистрали от насоса к нормально открытому отсечному крану, два нормально закрытых электропневмоклапана, сообщающие пневмосистему: один через обратный клапан с жидкостной магистралью от отсечного крана к диспергатору, другой с односторонним пружинным пневмоцилиндром привода отсечного крана, два электромеханических привода управления сцеплением и топливным насосом двигателя, клиноременный привод насоса рабочей жидкости двигателем, систему контроля и управления, при этом в качестве транспортной базы используется грузовой автомобиль повышенной проходимости, оснащенный электросистемой напряжением 24 В, питающей систему контроля и управления с электропневмоклапанами и электромеханическими приводами, системой сжатого воздуха давлением более 5 кгс/см, питающей пневмосистему, и в качестве насоса используется вихревой самовсасывающий насос, причем жидкостная магистраль сообщена с активной зоной диспергатора посредством одного профилированного кольцевого сопла, наделенного возможностью изменения величины площади проходного сечения, также выполняющего роль регулятора расхода рабочей жидкости, а воздушная магистраль сообщена со сверхзвуковым соплом диспергатора с возможностью изменения величины площади критического сечения.
Недостатками данного конструкторского решения является то, что:
1. Отсутствует система контроля и управления за технологическим процессом создания мелкодисперсного облака распыла.
2. Использование громоздкой и дорогостоящей многоступенчатой коробки перемены передач. Опыт эксплуатации ГАРД показал, что на рабочих режимах установки используется только повышающая передача.
3. Неудовлетворительное качество создания облака распыла. При использовании одного диспергатора прилегающая непосредственно к генератору площадь остается незахваченной.
4. Зависимость от систем транспортного средства. Электрическая и пневматическая системы ГАРД питаются от аналогичных систем автомобиля, что ставит работу генератора в зависимость от исправности систем автомобиля.
Задачей изобретения является создание мелкодисперсного облака распыла жидкости диспергаторами с помощью опрыскивателя, конструкция которого включает систему контроля за технологическим процессом, позволяющая дистанционно (с пульта управления) следить за процессом создания мелкодисперсного облака распыла и управлять им.
Поставленная задача достигается тем, что рабочая жидкость впрыскивается в сверхзвуковой поток сжатого воздуха, создаваемого центробежным компрессором, через две щелевые форсунки, расположенные по оси движения сжатого воздуха в двух диспергаторах, выполненных в виде сопла Лаваля. Впрыск осуществляется в сечение сопла со сверхкритическим перепадом давлений (разгон потока, контролируемый датчиком). Поставленная задача осуществляется опрыскивателем, смонтированным на платформе грузового автомобиля и представляющим собой автономный агрегат, состоящий из: дизельного двигателя; одноступенчатого мультипликатора; центробежного компрессора; диспергаторов; гидравлического химического насоса; баков для рабочей жидкости; электрической, гидравлической и пневматической систем; воздуховода; системы автоматики и слежения за производственным процессом; системы контроля расхода и впрыска жидкости; дистанционного пульта управления опрыскивателем и контроля за его работой; системы контроля и управления технологическим процессом, совмещенной с метеостанцией, расходомером, GPS навигатором и видеокамерами.
Сущность изобретения поясняет Фиг.1.
Дизельный двигатель 1 через мультипликатор 2 приводит во вращение центробежный компрессор 3 и гидравлический химический насос 4, подающий рабочую жидкость через отсечной клапан 5, регулятор расхода 6 и расходомер 7 в диспергаторы 8. После выхода на рабочий режим туда же поступает сжатый воздух от компрессора через воздуховод 9, состоящий из двух колен 10, на срезе которых крепятся диспергаторы. Впрыск рабочей жидкости осуществляется в сечение А сопел со сверхкритическим перепадом давлений (разгон потока) через две щелевые форсунки 11, расположенные в двух диспергаторах по оси движения сжатого воздуха. Контроль за процессом осуществляется датчиком перепада давлений 12, а управление с дистанционного пульта 13.
Работа устройства осуществляется следующим образом (Фиг.1). С дистанционного пульта управления 13 производится запуск и прогрев дизельного двигателя 1. Оборотами двигателя посредством мультипликатора 2 достигается рабочий режим центробежного компрессора 3 и гидравлического химического насоса 4. После открытия отсечного клапана 5 рабочая жидкость поступает в сверхкритическое сечение А диспергаторов 8, где осуществляется впрыск жидкости через две щелевые форсунки 11 в сверхзвуковой поток сжатого воздуха, подаваемого от компрессора 3 через воздуховод 9 и колена 10, и под действием газодинамических сил расширяющегося сверхзвукового потока происходит дробление капель рабочего раствора до заданных размеров для получения мелкодисперсного облака распыла (труды ИХКиГ СО РАН по оптимальной аэрозольной технологии). Контроль за перепадом давления в диспергаторе осуществляется датчиком давления 12. Изменение расхода жидкости (дисперсного состава облака распыла) производится регулятором расхода 6 дистанционно. Контролируется расход рабочей жидкости расходомером 7. Контроль и управление осуществляется дистанционно с пульта управления 13.
В результате образуется мелкодисперсное облако распыла, состоящее из капель действующего вещества, которое под действием силы ветра и гравитационных сил осаждается на объекте обработки. Применение двух диспергаторов, разнесенных в вертикальной плоскости, обусловлено технологическим требованием к качеству нанесения рабочей жидкости на объект обработки. Нижний диспергатор захватывает площадь, прилегающую к оборудованию, а верхний позволяет регулировать ширину захвата обрабатываемой площади.
Осуществление способа создания мелкодисперсного облака распыла жидкости достигается с помощью опрыскивателя (Фиг.1). Опрыскиватель представляет собой дизельный двигатель 1 со сцеплением и одноступенчатым мультипликатором 2, который передает крутящий момент центробежному компрессору 3 и гидравлическому химическому насосу 4. Автономную работу опрыскивателя обеспечивают: топливная система двигателя; объединенная масляная система двигателя и центробежного компрессора; система охлаждения двигателя; гидравлическая система, содержащая фильтры очистки рабочей жидкости, отсечной клапан 5, электрический, дистанционно управляемый, кран расхода жидкости 6, расходомер 7, систему перемешивания рабочей жидкости; воздуховод 9, состоящий из двух колен 10, с возможностью вращения относительно друг друга в вертикальной плоскости и вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости, сообщающий компрессор с диспергаторами 8 с щелевыми осевыми форсунками 11 и датчиком перепада давлений 12; электрическая система ЭС, запитываемая от двух аккумуляторов 24 В, с пультом дистанционного управления 13 опрыскивателем; пневматическая система ПС двигателя со штатным поршневым компрессором и ресивером; два электромеханических привода управления сцеплением 14 и топливным насосом двигателя 15; метеостанция 16, работающая совместно с расходомером и навигатором параллельного вождения, которая, в зависимости от изменения скорости и направления ветра, дает сигнал оператору о корректировке скорости и направления движения транспортного средства; две видеокамеры 17 для слежения за облаком распыла с выводом изображения на монитор GPS навигатора. В качестве транспортной средства используется грузовой автомобиль повышенной проходимости. Оператор, находясь в кабине автомобиля, осуществляет контроль и управление технологическим процессом создания мелкодисперсного облака распыла.
Опрыскиватель работает следующим образом (Фиг.1). С дистанционного пульта управления 13 производится запуск и прогрев дизельного двигателя 1. Приводом 14 включается сцепление и крутящий момент от двигателя к компрессору 3 передается через одноступенчатый мультипликатор 2. Плавным увеличением оборотов механизмом 15 опрыскиватель выводится на рабочий режим, контроль за которым осуществляется датчиком перепада давлений 12. Одновременно с началом движения автомобиля включается отсечной клапан 5. Рабочая жидкость от насоса 4 под давлением подается в диспергаторы 8. Расход жидкости контролируется расходомером 7 и по необходимости корректируется дистанционно управляемым краном 6. Одновременно с рабочей жидкостью в диспергаторы 8 по воздуховоду 9 через колена 10 поступает сжатый воздух от компрессора 3. Впрыск рабочей жидкости осуществляется в сечение А со сверхкритическим перепадом давлений, где под действием газодинамических сил расширяющегося сверхзвукового потока воздуха происходит дробление жидкости до заданных размеров. Дисперсный состав облака регулируется: перемещением форсунки 11 по оси диспергатора в сечении А; изменением площади выходного сечения форсунки; изменением расхода жидкости. Метеостанция 16 осуществляет мониторинг силы и направления ветра, отслеживает точку росы. При изменении силы и направления ветра подается сигнал оператору на пульт управления 13 о корректировке расхода рабочей жидкости и направлении движения автомобиля. Процесс создания мелкодисперсного облака контролируется оператором по видеосигналу, поступающему на монитор GPS навигатора от двух видеокамер 17.
3
Выполнение поставленной задачи позволяет получить высокую степень однородности мелкодисперсного облака распыла жидкости; широкий диапазон регулирования дисперсности от 10 до 400 мкм; высокую производительность от 1500 (одна тысяча пятьсот) га в смену; производительность по закрытым помещениям от 1000 м/мин; экономичность - расход дизтоплива до 0.1 л/га, рабочей жидкости 0.25-1 л/га; экологичность; универсальность применения - во всех отраслях жизнедеятельности человека, где требуется высокое качество (однородность) распыления рабочей жидкости.