УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR DISPERSING LIQUID

Изобретение относится к устройствам для распыления жидкостей и может найти применение, например, в теплоэнергетике, в узле редуцирования острого пара; в водоснабжении при удалении двухвалентного железа из подземных и открытых источников; при аэрации бытовых и близких к ним по составу сточных вод; в промышленном кондиционировании для насыщения влагой обрабатываемого воздуха; в контурах промышленного оборотного водоснабжения, оснащенных градирнями; в противопожарной технике для орошения защищаемых площадей.
Известна распылительная головка (авторское свидетельство СССР №902839, МПК В05В 1/00, 1982 г.), содержащая конусное сопло с закрепленными на его выходном конце насадками с увеличивающимися по ходу движения жидкости диаметрами. Насадки выполнены ступенчатыми в виде ряда цилиндров так, что стенки ступеней цилиндров образуют кольцевые камеры. Распылительная головка работает по принципу жидкостно-вакуумного устройства, вакуумные камеры образуются кавитационными процессами при срывах жидкостного потока с кромок цилиндрических насадков.
Недостатком данного устройства является то, что центральная часть эжектируемого жидкостного потока, обусловленная самой большой кинетической энергией, «пролетает» и не участвует в работе по диспергированию. Устройство имеет относительно низкий коэффициент полезного действия.
Из известных устройств для диспергирования жидкости наиболее близким по технической сущности является устройство для диспергирования жидкости (патент №2159684, МПК В05В 1/14, приоритет от 07.02.2000 г.), содержащее конфузор, сопло и закрепленный на его наружной поверхности насадок, образующий вакуумную камеру, профилированные кольца нарастающего диаметра и кавитационный стержень с торцевой площадкой на конце, расположенный по оси сопла с возможностью его перемещения в продольном направлении в зоне внутренней плоскости выходного сечения сопла против потока жидкости, при этом по краю сопла и насадка выполнены проточки, которые своими гранями в процессе работы устройства образуют вакуумные кольцевые зоны.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, является невысокий коэффициент полезного действия вследствие недостаточной степени создаваемого в устройстве вакуума - зоны разрежения, влияющей на степень диспергирования, поскольку глубина зоны разряжения достигается только динамикой жидкостного потока, проходящего через него. Устройство достаточно сложно в изготовлении, так как имеет кольца нарастающего диаметра, профилированные проточки по краю сопла и насадка. Опытно-конструкторское моделирование показало устойчивую работу этого устройства на объемах до 20 т/ч диспергируемой жидкости. Для решения большого ряда инженерных задач этот уровень производительности недостаточен.
Технический результат, достигаемый изобретением, - значительное повышение производительности устройства и коэффициента его полезного действия за счет принудительного разрушения жидкостного потока до дисперстности капель менее 1 мм в диаметре, возможность регулирования дисперстности жидкостного потока, надежность и простота конструкции.
Устройство для диспергирования жидкости, содержащее фланец с расположенным на нем конфузором, переходящим в сопло, кольцевую зону разрежения, насадок, на наружной поверхности которого расположен узел крепления кавитационного стержня, при этом кавитационный стержень выполнен в виде цельной шпильки с торцевой площадкой на конце, обращенной навстречу потоку жидкости и расположенной по оси устройства с возможностью ее перемещения в продольном направлении в зоне обреза сопла, в соответствии с изобретением устройство дополнительно снабжено кольцевым коллектором с патрубком, при этом кольцевой коллектор размещен на наружной поверхности насадка, кольцевая зона разрежения образована наружной поверхностью конфузора и сопла, а также внутренней поверхностью цилиндрического насадка, по насадку выполнена перфорация, соединяющая кольцевую зону разрежения с пространством кольцевого коллектора, разрежение создается внешним устройством, соединенным посредством патрубка с кольцевым коллектором, а верхний срез насадка имеет превышение над верхним срезом сопла, что обеспечивает границу контакта жидкости и зоны разрежения.
Конструкция устройства представлена на фиг.1, где на фланце 1 расположен конфузор 2, переходящий в сопло 3, на фланце 1 установлен насадок 4, по периметру которого выполнена перфорация 5, на наружной части насадка расположен кольцевой коллектор 6, закрывающий зону перфорации, патрубок 7, сообщающийся с внешним устройством создания зоны разрежения. Внутренняя поверхность насадка 4, наружные поверхности конфузора 2 и сопла 3 образуют внутреннюю кольцевую камеру 8. Кавитционный стержень 9 выполнен в виде изогнутой в двух местах под углом 90° шпильки, имеющей круглое сечение. Торцевая площадка 10 кавитационного стержня 9 размещена на выходе в плоскости среза сопла 3, а другой его конец ограничен в перемещении узлом фиксации 11, размещенном на наружной поверхности насадка 4.
Устройство работает следующим образом.
Поток диспергируемой жидкости проходит под избыточным давлением через фланец 1, поступает в конфузор 2, далее проходит через сопло 3, где скорость жидкостного потока выравнивается и уменьшаются турбулентные процессы при его истечении. На выходе из сопла 3 жидкостный поток взаимодействует с торцевой площадкой 10 кавитационного стержня 9, после чего центральная часть жидкостного потока перераспределяется от центра сопла ближе к его стенке на периферию, тем самым в процесс диспергирования вовлекается весь объем проходящей через устройство жидкости. При первоначальном раскрытии факела жидкости он перекрывает разновысокие кромки сопла 3 и насадка 4, где кромка насадка 4 имеет превышение над кромкой сопла 3, тем самым создается граница взаимодействия жидкостной среды с искусственно созданной зоной разрежения. Устройство дополнительно снабжено кольцевым коллектором 6, который посредством патрубка 7 соединен с внешним источником искусственного разрежения, в качестве которого может быть вакуумный насос или струйный эжектор. По периметру насадка 4 выполнена перфорация 5, закрываемая кольцевым коллектором 6. Наличие кольцевого коллектора 6 и перфорации 5 обеспечивает необходимые условия равномерного создания искусственной зоны разрежения во внутренней кольцевой камере 8. При работе устройства должно соблюдаться условие динамического равновесия, когда не происходит чрезмерного засасывания диспергируемой жидкости внутрь кольцевой камеры 8 вследствие образования в ней более глубокого разрежения, чем необходимого для решения поставленной задачи. Также конструкция устройства позволяет создавать неглубокое разрежение динамикой собственного проходящего потока при полном отсутствии воздействия внешнего источника искусственного разрежения, например, при закрытии любым запорным устройством патрубка 7. При этом условии можно ограничивать его производительность и дисперстность распыла.
Первоначально раскрытый после взаимодействия с торцевой площадкой 10 кавитационного стержня 9 жидкостный поток перекрывает верхнее пространство, образованное кольцевой камерой, и по условной границе: жидкость - зона разрежения, соприкасается с искусственно созданной зоной разрежения. Вне зависимости от времени контакта жидкости с зоной разрежения происходит процесс ее вскипания, то есть резкого выделения растворенных в ней газов. Это приводит к разрушению начальной целостности структуры жидкостного потока, проходящего через устройство, и результатом служит диспергированный жидкостный факел с высокой степенью дисперстности с еще большим углом раскрытия.
Работа устройства характеризуется бесструйным разрушением жидкостного потока и возможным достижением дисперстности капель менее 1 мм в диаметре. При этом резко возрастает суммарная поверхность диспергированного потока по отношению к первоначальному объему жидкости. Процесс разрушения жидкостного потока происходит без механического воздействия на него со значительно малой потребляемой энергией разрушения. Резкое возрастание суммарной поверхности капельного объема диспергированной жидкости обеспечивает наиболее эффективное прохождение тепломассообмена с контактируемыми средами, например жидкость - воздух, жидкость - пар, жидкость - жидкость, что поднимает коэффициент полезного действия работы устройства до практически возможного высокого предела.
Устройство позволяет устойчиво подвергать диспергированию жидкость с большой степенью ее загрязненности органическими и минеральными включениями, то есть с увеличенной кинетической вязкостью, обусловленной пластификаторами-загрязнителями. Для этого возможно предварительно ее насыщение любой растворимой газовой составляющей посредством напорной барбатажной камеры, размещенной перед входом потока в устройство.
Также данное устройство позволяет подвергать диспергированию жидкость в широком температурном диапазоне.
Работа устройства позволяет решать практически все возникающие инженерные задачи. Оно надежно и просто в изготовлении.
Конструкция устройства позволяет эксплуатировать его с большим спектром технических регулировок, которые решают все возможные задачи по изменению основных характеристик, а именно: по производительности и качеству распыла, на которые оказывают влияние такие факторы, как наружные и внутренние геометрические размеры устройства.
При больших геометрических размерах оно способно пропускать большой объем рабочей жидкости, а подбор соотношений, например, диаметров конфузора, сопла, торцевой площадки кавитационного стержня позволяет настраивать устройство на задаваемые параметры. Так же изменение избыточного давления на входе в устройство в большую или меньшую сторону влияет на его производительность, а изменение глубины искусственного разрежения позволяет влиять на качество диспергирования.
Все вышеперечисленные признаки, характеризующие устройство, обеспечивают достижение поставленной технической задачи.