ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ
PNEUMATIC-ACOUSTIC FLUID SPRAYER

Изобретение относится к устройствам, использующим для распыления жидкостей периодические ударные волны, создаваемые в сверхзвуковой газовой струе при ее торможении полым резонатором.
Известно пневмоакустическое распылительное устройство, содержащее резонатор, газовое и водяное сопла, стержень, установленный с зазором относительно газового сопла, в котором величина зазора в нем выбрана δ=(0,03-0,055)λ, а глубина резонатора h=(3,0-5,0)δ, при этом λ - длина волны акустического излучения на рабочей частоте для инертного газа. Патент Российской Федерации №2130328, МПК: B05B 7/06, 1998 г. Данные параметры кольцевого зазора δ и глубины резонатора h рекомендованы только для устройств с частотами генерации менее 30 кГц, для которых в стержневых распылителях не сказывается влияние пограничного слоя на стержне, а для получения медианных размеров капель менее 50 мкм необходимы частоты выше 30 кГц.
к
s
n
k
s
n
s
2
2
2
2
Известен пневмоакустический распылитель жидкости, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие; центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, и впускной газовый канал; указанный цилиндрический корпус имеет впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с указанным впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, и газовое сопло, охватывающее центральный стержень. На выступающей части центрального стержня установлен резонатор, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, указанные газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, а газовое сопло выполнено коническим, сходящимся. Цилиндрический корпус содержит газовую камеру, расположенную непосредственно перед газовым соплом и прилегающую к поверхности центрального стержня, в указанном центральном стержне выполнены проходные газовые каналы, связывающие впускной газовый канал, который выполнен глухим, с газовой камерой, впускной канал для жидкости расположен на периферии торца цилиндрического корпуса и проходит в осевом направлении, жидкостное сопло выполнено в виде проходных жидкостных каналов в цилиндрическом корпусе, связанных с жидкостной кольцевой камерой, ориентированных с возможностью направления струй жидкости в зону распыления, где жидкость подвергается воздействию ударных волн, при этом угол наклона внутренних стенок газового сопла, отсчитываемый от вертикальной оси, составляет 50-80°. Диаметр d газовой камеры, диаметр d центрального стержня и диаметр d газового сопла связаны соотношением (d -d )/(d -d )=5-30.
Проходные жидкостные каналы равномерно распределены по окружности жидкостной кольцевой камеры или по окружности центрального стержня. Цилиндрический корпус снабжен обечайкой, охватывающей указанный корпус, а жидкостная кольцевая камера и проходные жидкостные каналы образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки. Патент Российской Федерации №2232647, МПК: B05B 17/04, 2002 г. Недостаток распылителя состоит в том, при достижении коэффициента поджатия m=5÷30 падает давление в газовых каналах, снижается акустическая эффективность распылителя.
Известен пневмоакустический распылитель жидкости, содержащий корпус сопла, размещенный в нем стержневой излучатель, резонатор и установленное с зазором над корпусом сопла концентрическое сопло, гидравлически связанное с системой подачи жидкости, отличающийся тем, что стержневой излучатель установлен в корпусе сопла с возможностью вращения относительно своей продольной оси, на котором закреплены лопасти, а отражающая шайба, размещенная в полости резонатора, выполнена с поперечными прорезями. Патент Российской Федерации №2260478, МПК: B05B 17/04, 2005 г. Недостаток распылителя связан с установкой в резонаторе упругого элемента, защищенного отражающей шайбой, приводящего к периодическому изменению глубины резонатора, определяющей частоту генерации, влияющей на стабильность излучения и на процесс диспергирования.
Известен пневмоакустический стержневой распылитель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, газовое сопло, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки.
Впускное газовое сопло выполнено цилиндрическим, центральный стержень - профилированным, причем расположенная внутри сопла часть имеет коническую форму с углом расхождения 45-80°, часть за срезом сопла имеет цилиндрическую форму, а место схождения цилиндрической и конической частей стержня расположено на срезе сопла. Впускной канал для жидкости выполнен в виде штуцера, установленного на внешней поверхности обечайки и соединенного с жидкостной кольцевой камерой. Патент Российской Федерации №2467807, МПК: B05B 17/04, 2012 г.
Известен распылитель пневматический щелевого типа, включающий основание, бак, воздухопроводы и гидропроводы, уравнительную емкость, питательную трубку и струеобразующее устройство с верхней и нижней пластиной и прокладкой между ними, при этом струеобразующее устройство имеет распределитель жидкости, а верхняя и нижняя пластины выполнены в виде окружностей, причем верхняя пластина имеет пазы для размещения в них питательных трубок, закрытых пластинчатой крышкой и соединенных с распределителем жидкости, а струеобразующее устройство имеет плоскую воздушную камеру, по крайней мере, с тремя щелевыми соплами, над выходами которых расположены выходные отверстия, по крайней мере, трех питательных трубок. Патент Российской Федерации №2467807, МПК: B05B 7/00, 2013 г. К недостаткам стержневого распылителя жидкости следует отнести трудность получения в узком факеле газожидкостной смеси капель менее 60 мкм из-за появления в кольцевой струе наряду с прямым скачком перед резонатором косых скачков, изменяющих его положение на цилиндрическом участке стержня в результате резкого искривления трубки тока в зоне, где число Маха равно единице.
Техническим результатом изобретения является повышение дисперсности получаемых капель.
k
k
mn
mn
1
mn
1
Технический результат достигается тем, что в пневмоакустическом распылителе жидкостей, содержащем корпус, штуцер впуска газа, соосно с которым расположен дефлектор, формирующий внутри корпуса кольцевую щель шириной δ, внутри корпуса установлено тело резонатора с образованием на расстоянии l от дефлектора канавки шириной σ и глубиной h, внутренняя часть тела резонатора выполнена в виде конической воронки с выходным диаметром d, к конической воронке пристыкован диффузорный элемент, а впускной канал для жидкости выполнен в виде штуцера, причем диаметр критического сечения выбран из условия получения в нем одного из поперечных резонансов на частоте работы газоструйного генератора. Диффузорный элемент выполнен в виде шнекового завихрителя, диаметр критического сечения выбран из условий: d=αλ/π, где: α - корни уравнения Y(α)=0; Y - функция Бесселя 1-го порядка, λ - длина волны колебаний, генерируемых в пневмоакустическом распылителе жидкостей.
k
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где: 1 - корпус, 2 - штуцер впуска газа, 3 - сопловой дефлектор, 4 - кольцевой резонатор, δ - ширина кольцевой щели в корпусе 1, σ - ширина канавки кольцевого резонатора, h - глубина кольцевого резонатора, d - выходной диаметр конической воронки, 5 - штуцер, 6 - биконический насадок.
кр
В корпус пневмоакустического распылителя жидкостей 1 поступает рабочий газ с давлением P выше критического Р через газовый штуцер 2. Газ через кольцевую щель между внутренней стенкой корпуса 1 и дефлектором 3 вытекает в рабочую зону генератора Гартмана, образуя первую бочку сверхзвуковой струи, имеющую систему косых скачков, а при ее торможении резонатором 4 - прямой скачок уплотнения, за которым возникает дозвуковая зона.
В области, простирающейся до дна резонатора 4 и представляющей собой четверть волновой резонатор с одной мягкой (скачок) и одной жесткой (дно) границами, возможно усиление возмущений определенной частоты и появление ударных волн, поступающих через биконический насадок в зону подачи распыляемой жидкости.
Частота колебаний может быть определена:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>029</mn><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><msub><mrow><mover accent="true"><mi>P</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>11</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi>δ</mi><mover accent="true"><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>h</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mover accent="true"><mi>l</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>36</mn></mrow></msup><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>σ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>G</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>4</mn></mrow></msup></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></mfrac></mrow>
0
c
c
кр
Здесь C - скорость звука в используемом газе, G - параметр кривизны (G=δ/d, d - диаметр дефлектора), черточки над индексами h, l и σ означают их нормировку к ширине сопловой щели δ, а у P и P - нормировку к давлению окружающей среды.
Амплитуда колебаний, развивающихся в ограниченном пространстве, в значительной степени зависит от нагрузки, на которую работает генератор Гартмана, в данном случае на диффузорную часть биконического насадка 6.
k
Для согласования генератора с выходной частью распылителя необходимо чтобы диаметр сечения d соответствовал одному из поперечных резонансов, частоты которых определяют из выражения.
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
mn
1
mn
1
10
; где: C - скорость звука в используемом газе; m=0, 1, 2 …; n=0, 1, 2 …; α - корни уравнения Y(α)=0; Y - функция Бесселя 1-го порядка. Например, первый симметричный резонанс соответствует α=1,84.
mn
В месте сочленения конфузорной и диффузорной частей биконического насадка используют либо симметричные, либо несимметричные поперечные резонансы, определяемые коэффициентами α; их конкретные значения приведены в таблице:
Таблица
m
n
0
1
2
0
0
3.8
7.0
1
1.84
5.3
8.54
2
3.05
6.7
9.9
3
4.2
8.0
11.3
Диаметр биконической насадки может быть определен из условий:
k
mn
d=βλ, где: β=α/π, а λ - длина волны колебаний, генерируемых в пневмоакустическом распылителе жидкостей. Или из условия:
k
mn
d=αλ/π
mn
Таким образом, если f близка (±5%) к частоте генерации f, происходит «захват» частоты в широком диапазоне рабочих давлений, а уровень акустических колебаний возрастает на 16-20 дБ. При подаче жидкости через насадок 6, выполненный в виде шнекового завихрителя, выход мелких фракций увеличивается на 20-30%.