ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ ФОРСУНКА
RADIAL-FLOW VORTEX NOZZLE

Изобретение относится к технологии сушки, применяемой в химической, микробиологической и пищевой промышленностях для распиливания жидкостей в распылительных сушилках (суспензий и растворов, а так же молока в молочной промышленности при производстве порошкового молока, в дальнейшем тексте - жидкостей) при помощи распылительной форсунки и газообразного распыливающего агента (сжатого воздуха или перегретого водяного пара, в дальнейшем - газа).
Известны пневматические форсунки внешнего смешения (см. Л.1. М.В. Лыков, Б.И. Леончик «Распылительные сушилки», Издательство «Машиностроение», М., 1966, стр.57-61. Рис.23, 24, 25) и форсунки внутреннего смешения (Л.1, рис.26, 27).
Форсунки внешнего смешения работают на принципах пульверизатора. Наиболее приспособленная для распылительных сушилок форсунка, изображенная на рис. 25, в которой тарелка обеспечивает радиальное распыливание жидкости. Внешнее распыливание жидкости не обеспечивает достаточное качество диспергирования жидкости и способствует увеличению удельного расхода распыливающего агента - газа (воздуха, перегретого пара). Форсунки внутреннего смешения являются прямоструйными. Они не дают распыливания раствора на 360 градусов. Их нельзя использовать в распылительной сушилке в качестве единого агрегата.
Указанные недостатки устранены в форсунке, разработанной Зиминым Б.А. (см. Л.2. Б.А. Зимин «Сможет ли Россия преодолеть техническое и технологическое отставание», Издательство «Новости Теплоснабжения», М., 2011, стр. 24, рис.1.2).
Известная форсунка имеет ствол, представляющий собой две трубы разного диаметра, из которых одна помещена внутри другой. К трубе большего диаметра (к кольцевому пространству между трубами) - присоединен трубопровод распыливаемой жидкости, а к внутренней трубе меньшего диаметра - трубопровод распыливающего газа (воздуха, перегретого пара). Ствол оканчивается головкой, в которой между центральной и внешней трубами имеется кольцевое пространство, соединенное между собой тангенциальными соплами, направленными от центра к периферии. Это кольцевое пространство является завихривающей камерой смешения, а на выходе из этой камеры смешения, по оси головки, установлена деталь, напоминающая по форме гриб, перевернутый шляпкой вниз, причем ножка этого гриба перекрывает нижнюю часть центральной трубы, а шляпка с диаметром несколько большим, чем завихривающая камера смешения, и установлена на некотором расстоянии от нижней кромки головки, что изменяет направление канала завихривающей камеры смешения с вертикального на горизонтальный (во все стороны - на 360°).
Распыливающий газ (сжатый воздух, перегретый пар) выходит со звуковой скоростью из сопел в кольцевую завихривающую камеру и подхватывает поступающую туда распыливаемую жидкость (суспензию, раствор, молоко), предварительно перемешиваясь с жидкостью и образуя гомогенную газожидкостную смесь.
Эта форсунка является форсункой внутреннего смешения. Она обеспечивает распыливание жидкости внутри распылительной сушилки на 360° в стороны. Смешение жидкости с газом происходит в узком кольцевом канале. Энергии струи газа, выходящего из щелевых сопел со звуковой скоростью (звуковая скорость - для воздуха - 330 м/с, а для перегретого пара и 500 м/с), достаточной, чтобы раскрутить газожидкостную смесь до скорости 150-180 м/с при удельном расходе газа 300 г на кг распыливаемой жидкости (в механических распылительных механизмах скорость отрыва капли жидкости от вращающегося диска -150 м/с). Совмещение раскрутки жидкости до 150 м/с, с предварительным раздроблением жидкости внутри форсунки до состояния гомогенной смеси, с пульверизацией, обеспечивает распыл раствора на тончайшие капли (мельче, чем в механических распылительных механизмах). Высушенный продукт получается мелкодисперсным и очень высокого качества. Настоящая форсунка взята в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что распыливающий газообразный агент (воздух или перегретый пар) подводится по центральной трубе, а раствор - по кольцевому зазору между двумя трубами, что уменьшает сечение для прохода распыливающего агента и увеличивает сопротивление (сечение для прохода жидкости больше, чем сечение для прохода воздуха, а должно быть наоборот, так как удельный объем газа многократно превышает удельный объем жидкости). Чтобы преодолеть сопротивление приходится повышать давление воздуха и увеличивать расход энергии. При увеличении диаметра центральной воздухоподающей трубы приходится увеличивать диаметр всей форсунки, что увеличивает путь газожидкостной смеси по спирали (пропорционально увеличению диаметра) уменьшает скорость вращения, увеличивает металлоемкость форсунки, и объем вращающейся жидкости в кольцевой завихривающей камере, а так же путь ее движения. Известно, что при вращательном движении жидкостей и газов при уменьшении радиуса закрутки скорость вращения увеличивается, а при увеличении - уменьшается. Кроме того увеличивается сопротивление движению газожидкостной смеси, что значительно ограничивает максимальные типоразмеры форсунки. Такой тип форсунки не может быть изготовлен на большую производительность сушилки, например на 6 или 10 т/ч испаренной влаги (такие сушилки применяются в микробиологической промышленности).
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков - уменьшение удельной металлоемкости и уменьшение потерь давления газа за счет увеличения сечения для прохода газа, уменьшение удельного диаметра форсунки. Кроме этого целью является создание батарейной центробежно-вихревой распылительной форсунки большой производительности, могущей быть примененной на больших распылительных сушилках вместо механического распылительного механизма.
Указанная цель достигается тем, что в известной центробежно-вихревой распылительной форсунке, имеющей ствол, представляющий собой две трубы разного диаметра, помещенных одна в другой с кольцевым зазором между ними, подводящий трубопровод распыливаемой жидкости присоединен к внешней трубе ствола стволу (к кольцевому пространству между трубами ствола, являющимся жидкостным каналом), а трубопровод распыливающего газа (воздуха, перегретого пара) присоединен к внутренней трубе ствола меньшего диаметра, являющейся газовым каналом, - причем ствол оканчивается головкой, являющейся продолжением жидкостного и газового каналов, в которой между центральным и внешним каналами имеется кольцевое пространство, соединенное между собой тангенциальными соплами (это кольцевое пространство является завихривающей камерой смешения), а на выходе из этой камеры смешения по оси головки, установлена деталь, напоминающая по форме гриб, перевернутый шляпкой вниз, причем ножка этого гриба перекрывает нижнюю часть центрального газового канала трубы, а шляпка с диаметром несколько большим, чем кольцевой канал, установлена на некотором расстоянии от нижней кромки головки и изменяет направление канала с вертикального на горизонтальный (во все стороны - на 360°)подводящий трубопровод распыливаемой жидкости присоединен к внутренней трубе ствола, а подводящий трубопровод распыливающего газа - к внешней трубе ствола (к кольцевому пространству между трубами ствола), нижняя часть корпуса головки, являющегося продолжением внешней трубы, имеет сужение, а нижняя часть внутренней (центральной) трубы ствола (или деталь, являющаяся продолжением центральной трубы), имеет расширение и присоединена к сужающейся части корпуса, перекрывая кольцевой канал между трубами ствола, а тангенциальными соплами служат тангенциальные прорези в нижней расширенной части части центральной трубы на нижней кромке расширенной части внутренней центральной трубы, через которые газ проходит в направлении от периферии к центру.
Цель повышения производительности форсунки достигается объединением в один пакет (батарею) нескольких форсунок, имеющих общий трубопровод подвода распиливаемой жидкости и распиливающего агента. Причем каждая форсунка выполняется с секторным распыливанием жидкости (на 30-180 градусов). Секторный распыл достигается за счет перегораживания части кольцевой горизонтальной щели в нижней части форсунки.
На чертеже фиг.1 изображен продольный разрез центробежно-вихревой распылительной форсунки;
На фиг.2 - поперечный разрез по А-А фиг.1
На фиг.3 - продольный разрез центробежно-вихревой распылительной форсунки
На фиг.4 - продольное сечение муфты, частично перегораживающей сечение выходного отверстия кольцевой камеры раскрутки и обеспечивающая секторный распыл жидкости. секторного рапыливания жидкости.
На фиг.5 -поперечное сечение по А-А фиг.4.
На фиг.6 - Батарейная форсунка повышенной производительности с продольным разрезом варианта форсунок с секторным распылом жидкости.
На фиг.7 - поперечное сечение батарейной форсунки по А-А фиг.6.
Центробежно-вихревая распылительная форсунка (фиг.1, 2) имеет ствол, состоящий из наружной трубы 2, по оси которой проходит труба 4 меньшего диаметра, образуя кольцевое пространство между трубами. К трубе 4 присоединен трубопровод подачи жидкости (суспензии, раствора, молока), а к трубе 2 (к кольцевому пространству между трубами) прикреплен подводящий трубопровод сжатого газа (воздуха, перегретого пара). К нижней части ствола прикреплена головка, имеющая корпус 1. Корпус 1 имеет сужение в нижней части. Центральная труба 4 имеет расширение в нижней части (например, в виде отдельной детали 5, являющейся продолжением трубы 4). Деталь 5 выполнена в виде последовательного соединения двух труб разного диаметра. Верхняя часть детали 5 меньшего диаметра соединена с центральной трубой ствола, а нижняя часть большего диаметра, напоминающая колокол, упирается в суживающую часть корпуса 1, перекрывая кольцевой зазор между корпусом 1 и деталью 5, причем в нижней части детали 5 имеет тангенциальные прорези 6, являющиеся тангенциальными соплами для прохода распыливающего газа, расположенные по окружности сечения детали 5 и направлены от периферии к центру. Контргайки 3 и 11 обеспечивают плотность соединений. Внутри детали 5 (по оси) прикреплена деталь 7, напоминающая по форме гриб, перевернутый шляпкой вниз. Часть детали, напоминающая ножку гриба, имеет в верхней части полость с отверстиями 8, соединенную с трубой 4, а в нижней части, выполненной сплошной с диском 10 на конце (диск имеет диаметр несколько больший, чем нижняя часть корпуса 1 и образует кольцевую щель между нижней кромкой корпуса 1. На фиг.3 и 6 цифрой 13 обозначена кольцевая или секторная щель выхода вращающейся смеси газа с жидкостью, а цифрой 14 обозначена муфта, соединенная с деталью, напоминающей по форме гриб, перевернутый шляпкой вниз.
Форсунка, изображенная на фиг.3 отличается от форсунки на фиг.1, только тем, что щель 13 выполнена секторной (загорожена часть кольцевой щели). Кольцевую щель можно образовать при помощи муфты (фиг.4, 5) или при помощи детали, выполненной в виде перевернутого стакана 14 с секторной щелью 13 в стенке стакана рядом с дном, и со штырем 15 (фиг.6, 7), присоединенным к центру дна стакана, образующим завихривающую кольцевую камеру смешения.
Батарея форсунок фиг.6, 7 может быть набрана из единичных форсунок, изображенных на фиг.3 или из форсунок, продольный разрез которых показан на фиг. 6. Принципиально форсунка на фиг.6 не отличается от форсунки на фиг.3.
Работа форсунки (фиг.1, 2) осуществляется следующим образом. Жидкость (Жидкий распыливаемый агент - суспензия, раствор, молоко) подается по центральной трубе 4, и попадает через полость детали 7 в расширенную часть трубы 4 (во внутрь детали 5) через окна 8 и поступает в кольцевое пространство 9 межу деталью 7 и деталями 5 и 1 (или сразу попадает в кольцевой канал 9, как показано на фиг.6). Газ (газообразный распыливающий агент - воздух, перегретый пар) подается в кольцевое пространство между трубами 2 и 4. Далее газ попадает в кольцевое пространство между корпусом 1 и деталью 5, и далее проходит через сопла 6 и попадает в кольцевое пространство между деталью 7 и корпусом 1 (в кольцевую завихривающую камеру смешения 9). Газ выходит из кольцевого пространства между трубами 2 и 4, через сопла 6 в камеру 9 (от периферии к центру) со звуковой скоростью (воздух - 330 м/с, перегретый пар - 500 м/с). Он подхватывает жидкость (жидкий распыливаемый агент) и заставляет его вращаться. Скорость вращения смеси газа с жидкостью составляет 150-180 м/с. В кольцевом пространстве 9 образуется гомогенная смесь жидкости и газа, что вместе с высокой скоростью вращения обеспечивает более мелкое распиливание, чем механические распылительные механизмы и распыливание жидкости путем простой пульверизации воздухом. (Механические распылительные механизмы имеют скорость вращения 150 м/с, и с такой скоростью выбрасывают раствор в сушилку, что обеспечивает мелкодисперсное дробление капель).
Работа форсунки (фиг.3) отличается от работы форсунки (фиг.1) только тем, что распыл жидкости осуществляется в секторе 30-180°. Эта форсунка может работать только в единой батарее из нескольких форсунок (см. фиг.6, 7). Батарея форсунок обеспечивает распыливание жидкости по окружности (на 360 градусов - в разные стороны). Сектора распыливания могут перекрывать друг друга. Количество форсунок в батарее выбирается в зависимости от максимальной производительности распылительной сушилки.
Все варианты форсунок могут работать повернутыми головками вниз или вверх.
2
Присоединение подводящего трубопровода распыливаемой жидкости к центральной трубе ствола форсунки, а подводящего трубопровода распыливающего газа - к внешней трубе ствола (к кольцевому пространству между трубами ствола), а так же переариентирование направления тангенциальных сопел «от центра к периферии» на «от периферии к центру» позволяет увеличить проходное сечение газового канала (ранее недостаточное) и уменьшить сечение жидкостного канала (ранее избыточного), позволяет уменьшить диаметр головки форсунки, уменьшить диаметр и объем завихривающей камеры смешения, что уменьшит сопротивление вращательному движению газожидкостной смеси и увеличить ее скорость закрутки, обеспечит более мелкое диспергирование капель жидкости и лучшую сушку продукта в распылительной сушилке, позволит несколько увеличить максимальную производительность отдельной форсунки. Давление распыливающего газа можно снизить с 5 до 2,5 кгс/см, что уменьшит расход электроэнергии. Батарея форсунок (фиг.6, 7) может заменить любой механический распылительный механизм большой производительности.