ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА (ВАРИАНТЫ)
PNEUMATIC SPRAYER (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распыливания жидкостей и суспензий, например водоугольного топлива (ВУТ).
Известна пневматическая форсунка, в которой струя жидкости вводится в соосный газовый поток [Распыливание жидкостей / Бородин В.А. и др. - М., 1976]. Принцип работы таких форсунок связан с возникновением на поверхностях раздела жидкости и газа волн, в результате взаимодействия которых с газовым потоком струя жидкости (пленка) распадается на капли.
Недостатком известной конструкции форсунки является тот факт, что с ростом размера жидкостного сопла и расхода жидкости резко ухудшается качество распыливания.
Известна пневматическая форсунка, содержащая корпус с размещенным по оси штоком, жидкостный канал и два газовых канала, расположенных по разные стороны от жидкостного канала, причем жидкостный и газовые каналы переходят сначала соответственно в жидкостное и газовые щелевые сопла, а затем - в общую камеру смешения, образованную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью выходного, выполненного сферическим, торца штока [патент РФ №2106914, 1996 г., В05В 7/02].
В этой форсунке струя жидкости подается в высокоскоростной попутный газовый поток вдоль выпуклой образующей выходного торца штока. В силу эффекта Коанда струя жидкости прилегает к стенкам штока. Свободная граница такой струи неустойчива (неустойчивость Тейлора). На поверхности струи образуются продольные ребра. С удалением от сопла высота ребер увеличивается, и струя распадается на пластинчатые радиальные струйки. Попутный высокоскоростной газовый поток обдувает каждую пластинчатую струйку жидкости с двух сторон. В силу неустойчивости Гельмгольца струйки распадаются на мелкие капли. Непосредственно у стенки штока размер капель может быть недостаточно малым. Газовый поток, вводимый в камеру смешения через внутреннее газовое сопло, производит дополнительное измельчение капель.
В такой форсунке ширина кольцевых газовых и жидкостного сопел должна быть достаточно малой, а скорости потоков большими. В случае использования форсунки для распыливания сильно вязких жидкостей из-за наличия узких щелей в конструкции форсунки требуется высокое давление для прокачки жидкостей. Кроме того, такие форсунки быстро изнашиваются, если их используют для распыливания суспензий, содержащих твердые абразивные частицы.
Таким образом, недостатком известной форсунки является невысокая эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий и ее быстрый износ.
Известна также пневматическая форсунка [патент РФ №2015347, 1991 г., E21F 5/04], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого воздуха, установленную по оси корпуса с возможностью осевого перемещения трубу для подачи жидкости, на торце которой расположен распыливающий насадок, выполненный в виде усеченного конуса, закрепленного на одном конце пружины, установленной внутри трубы для подачи жидкости, другой конец которой закреплен внутри трубы, и воздушное сопло, образованное выступом корпуса и трубой для подачи жидкости, при этом эластичное кольцо для регулировки формы воздушного сопла установлено на наружной поверхности трубы для подачи жидкости, а втулка установлена в торцевой части трубы для подачи жидкости с возможностью осевого перемещения. Патрубок для подвода сжатого воздуха расположен по касательной к внутренней поверхности корпуса и под углом к его продольной оси.
В этой форсунке жидкая струя, вытекающая из щелевого конического сопла, сталкивается с набегающим под углом газовым потоком и разбрызгивается на капли. Эффективное распыливание жидкой струи происходит только при высоких скоростях и газового, и жидкостного потоков. Следовательно, недостатком известной форсунки является недостаточная эффективность при распыливании вязких жидкостей и суспензий. Кроме того, конструкция разбрызгивающего устройства, в тех случаях, когда жидкость содержит абразивные частицы, не исключает быстрого износа стенок щелевого жидкостного сопла.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пневматическая форсунка [патент РФ №2346756, 2009 г., В05В 7/08], содержащая корпус с патрубком для подвода газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкости, переходящую в диффузор, на торце которого расположена кольцевая насадка в форме сходящейся к оси корпуса осесимметричной головки, и кольцевое щелевое газовое сопло на выходе из кольцевой камеры, образованное корпусом и наружной границей кольцевой насадки, причем длина образующей насадки от газового сопла до выходной кромки диффузора имеет длину порядка диаметра кромки диффузора.
В этой форсунке газовая струя, вытекающая из щелевого сопла, не отрываясь в силу эффекта Коанда, движется вдоль сходящейся наружной стенки насадки и образует за пределами форсунки сходящийся струйный газовый поток. В результате столкновения элементарных струек в некоторой точке на оси форсунки образуется критическая точка и формируется струйное течение вперед вдоль оси форсунки и возвратная струя типа кумулятивной. Подача рабочей жидкости по трубе вдоль оси форсунки приводит к формированию жидкой струи, которая, сталкиваясь с возвратной струей газа, растекается тонкой струйной пленкой по стенкам диффузора. На выходе из диффузора пленка жидкости сталкивается с конической газовой струей. В этой зоне, а также в зоне столкновения газожидкостных струй в районе критической точки происходит интенсивное взаимодействие потоков и диспергирование жидких капель.
Эксперименты показали, что за пределами довольно узкого диапазона изменения отношения импульсов газового и жидкостного потоков в районе выходной кромки диффузора возникает отрыв газового потока от стенок головки и формируется кольцевой вихрь, при этом, если в качестве рабочей жидкости используют суспензию, происходит абразивное разрушение головки. Кроме того, в силу осевой симметрии форсунки угол расширения газокапельного факела не всегда оказывается достаточным.
Таким образом, недостатком прототипа является тот факт, что конструкция форсунки не на всех режимах работы обеспечивает малый ее износ, а также не позволяет управлять размерами и формой создаваемой ею газокапельной струи в достаточно широких диапазонах.
Задачей изобретения является создание пневматической форсунки с такой формой газовых и жидкостных трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить дисперсность распыливания жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования и с возможностью управления размерами и формой газокапельного факела.
Поставленная задача решается с помощью варианта пневматической форсунки, содержащей корпус с внутренней кольцевой газовой камерой и патрубок для подвода в нее сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу подачи жидкости, переходящую в диффузор, и кольцевое щелевое газовое сопло, сформированное кольцевой насадкой и корпусом форсунки на выходе из внутренней кольцевой камеры.
Кольцевое щелевое газовое сопло установлено на срезе диффузора и имеет коническую форму с углом конусности от 60 до 150 градусов, внутренняя кольцевая газовая камера форсунки дополнительно снабжена двумя соплами, установленными напротив друг друга, причем оси сопел пересекаются или скрещиваются так, что угол между осью каждого сопла и осью симметрии пневматической форсунки составляет от 30 до 90 градусов, при этом суммарная площадь поперечных выходных сечений сопел составляет 0,3-1 площади поперечного выходного сечения щелевого кольцевого газового сопла.
Предпочтительно оси сопел пересекаются или скрещиваются в зоне ниже диффузора на расстоянии порядка диаметра выходной кромки диффузора.
Поставленная задача решается с помощью другого варианта пневматической форсунки, содержащей корпус с внутренней кольцевой газовой камерой и патрубок для подвода в нее сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу подачи жидкости, переходящую в диффузор, и кольцевое щелевое газовое сопло, сформированное кольцевой насадкой и корпусом форсунки на выходе из внутренней кольцевой камеры.
Кольцевое щелевое газовое сопло установлено на срезе диффузора и имеет коническую форму с углом конусности от 60 до 150 градусов, и выходное поперечное сечение с переменной площадью по периметру кольца.
Предпочтительно на торце корпуса форсунки выполнены лыски для получения выходного поперечного сечения кольцевого щелевого газового сопла с переменной площадью по периметру кольца.
На Фиг.1 показана форсунка по первому варианту изобретения и представлен продольный разрез предложенной пневматической форсунки.
В другом варианте суть изобретения поясняется на Фиг.2-5.
На Фиг.1 представлен корпус 1 пневматической форсунки; патрубок 2 подвода газа; кольцевая газовая камера 3; труба подачи жидкости 4; диффузор 5; кольцевая насадка 6; кольцевое щелевое газовое сопло 7; дополнительные сопла 8.
Форсунка содержит корпус 1 с патрубком 2 для подвода газа, кольцевую газовую камеру 3, трубу 4 подачи жидкости, переходящую в диффузор 5, с кольцевой насадкой 6, формирующей совместно с корпусом форсунки 1 кольцевое щелевое газовое сопло 7, сопла 8.
Кольцевое щелевое газовое сопло 7 установлено на срезе диффузора 5 и имеет коническую форму с углом конусности от 60 до 150 градусов.
На торце внутренней кольцевой газовой камеры 3 форсунки установлены два сопла 8 напротив друг друга с пересекающимися или скрещивающимися осями сопел, причем угол между осью каждого сопла и осью симметрии пневматической форсунки составляет от 30 до 90 градусов, при этом суммарная площадь поперечных выходных сечений сопел составляет 0,3-1 площади поперечного выходного сечения щелевого кольцевого газового сопла (Фиг.1).
Оси сопел 8 пересекаются или скрещиваются в зоне ниже диффузора 5 на расстоянии порядка диаметра выходной кромки диффузора 5 (Фиг.1).
На фиг.2-5 показана форсунка по второму варианту.
Форсунка имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии: горизонтальную и вертикальную.
На Фиг.2 показано сечение форсунки горизонтальной плоскостью, на Фиг.3 - вертикальной плоскостью, а на Фиг.4 показан профильный вид форсунки.
На Фиг.5 показана форма кольцевого щелевого газового сопла с переменной площадью по периметру кольца.
Переменную площадь по периметру кольца можно получить любыми способами, известными из уровня техники.
На фиг.2-5 показана форсунка, в которой выходное поперечное сечение кольцевого щелевого газового сопла выполнено с переменной площадью по периметру кольца за счет выполнения на торце корпуса форсунки двух симметрично расположенных срезов - лысок 10.
На торце корпуса форсунки выполнены две симметрично расположенные лыски 10 для получения кольцевого щелевого газового сопла 7, имеющего выходное поперечное сечение с переменной площадью по периметру (Фиг.5).
Благодаря наличию лысок 10, наружная кромка кольцевого газового сопла принимает трехмерную (неосесимметричную) форму, а выходное сечение газового сопла 7 приобретает переменную величину площади поперечного сечения по периметру кольца. Угол между плоскостями лысок 10 и осью форсунки превышает полуугол конусности газового щелевого сопла 7.
Выполнение форсунки в соответствии с первым вариантом и вторым вариантом изобретения приводит к достижению поставленной задачи.
Предложенные варианты пневматических форсунок работают следующим образом.
Струя газа, вытекающая из кольцевого щелевого газового сопла 7, образует за пределами форсунки сходящийся конический струйный газовый поток, который вблизи оси симметрии форсунки раздваивается на прямой поток и на возвратную струю. По трубе 4 к диффузору 5 подают рабочую жидкость. В районе перехода трубы 4 в диффузор 5 возвратная струя газа сталкивается с жидкостной струей, в результате чего струя жидкости растекается по стенкам диффузора 5, образуя струйный пленочный поток. На срезе диффузора 5 пленочная струя жидкости взаимодействует с газовой струей, создавая конический газокапельный факел. Далее по потоку в районе критической точки происходит интенсивное столкновение газокапельных струй, дальнейшее диспергирование капель жидкости и формирование расширяющегося газокапельного факела.
В первом варианте пневматической форсунки с соплами 8 газовые струи, вытекающие из сопел 8, взаимодействуют с газокапельным факелом, что приводит к дополнительному измельчению капель жидкости, а, кроме того, они деформируют газокапельный факел и увеличивают площадь его поперечного сечения.
Когда оси сопел 8 являются пересекающимися линиями, поперечное сечение газокапельного потока принимает форму эллипса с большой осью, перпендикулярной плоскости, в которой лежат оси сопел 8.
Когда оси сопел 8 являются скрещивающимися линиями, поперечное сечение газокапельного факела принимает также эллипсоидальную форму, однако большая ось эллипса лежит в плоскости, проходящей через ось форсунки и центры выходных кромок сопел 8.
Во втором варианте выполнения пневматической форсунки импульс газовой струи, вытекающей из кольцевого щелевого газового сопла 7, принимает переменную величину по периметру его поперечного сечения, что приводит к деформации поперечного сечения газокапельного факела.
Предложенные варианты пневматической форсунки дают возможность управлять размерами и формой газокапельного факела.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание пневматической форсунки с такой формой газовых и жидкостных трактов, конструкция которых обеспечивает дисперсность распыливания жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования и возможность управления размерами и формой газокапельного факела.
На предложенную пневматическую форсунку разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на воде и водоугольном топливе показали хорошее качество распыливания на ООО «Завод стеновых блоков» (г. Новосибирск).