Дымогенератор
SMOKE GENERATOR

Изобретение относится к области малогабаритных струйных генераторов дыма и может быть использовано для визуальных исследований пространственных течений воздуха.
Принцип действия современных малогабаритных струйных дымогенераторов для визуального исследования течений основан на создании оптически видимых струй, создаваемых парами (дымом) предварительно нагретых жидких дымообразующих веществ.
В процессе исследований в аэродинамических трубах (АДТ) для обеспечения видимой картины обтекания модели в процессе ее испытаний возникает потребность в использовании малогабаритных дымогенераторов с большой производительностью, не оказывающих существенного возмущения течения перед испытываемой моделью.
Дымогенераторы должны быть недорогими, простыми по конструкции и обеспечивать работу в течение продолжительного времени.
С помощью державки-удлинителя дымогенератор устанавливается перед испытываемой моделью в потоке в аэродинамической трубе. Внутри державки размещается система подвода дымообразующей жидкости, силовые электропровода и термокомпенсационные провода от термопары.
В дымогенераторе производится нагрев дымообразующей жидкости с последующим выпуском плотных паров перегретого пара, именуемого дымом.
Как показывает практика, на выходе из струйных дымогенераторов возможно возникновение пульсирующего течения с выбросом капелек неиспарившейся жидкости. Выброшенные капельки жидкости налипают на поверхности испытываемых моделей и искажают картину обтекания модели.
Основной причиной нестабильной работы малогабаритных трубчатых дымогенератов с выбросом из них капелек газожидкостной смеси является неустойчивость процессов кипения дымообразующей жидкости на стенках трубчатого нагревателя, приводящих к образованию внутри дымогенератора газовых пузырей с избыточным давлением, которые стремятся к выходному сечению трубки дымогенератора, увлекая за собой не испарившиеся капельки жидкости.
Известно устройство патент USA US5647054 «Трубчатый генератор дыма» (Приложение 1).
Основой предлагаемого устройства является трубка из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0.84 мм и наружным 1,27 мм. В трубку помещается пакет из четырех скрученных нихромовых проволочек, либо сама трубка сплющивается соответствующим образом. Трубка во всех вариантах запрессовывается в поверхность внешнего цилиндрического нагревательного элемента диаметром 11,5 мм.
Основными недостатками предложенного «Трубчатого генератора дыма» являются: конструктивная и технологическая сложность дымогенератора; низкая производительность дымогенератора с целью проведения визуализации течений в реальных промышленных аэродинамических трубах; отсутствие на выходе дымогенератора сопла, формирующего течение вытекающей из дымогенератора струи.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Дымогенератор» патент US 3964304 (Приложение 2).
Дымогенератор представляет собой медно-никелевую трубку (испаритель), диаметром 1,5 мм, навитую вокруг внешнего нагревательного элемента. В один конец трубки подводится дымообразующая жидкость, а другой конец трубки открыт в атмосферу. Трубка с нагревательным элементом помещены в теплоизолированный стакан. Общие размеры дымогенератора составляют - диаметр 38 мм, длина 152 мм.
Недостатками прототипа являются: образование газовых пузырей при пленочном кипении на стенках трубки с последующим брызгообразованием и пульсацией струи дыма на выходе из дымогенератора; избыточные внешние размеры дымогенератора, что может привести к возмущению потока перед испытываемой моделью; конструктивная и технологическая сложность конструкции дымогенератора; отсутствие на выходе дымогенератора сопла, формирующего течение вытекающей из дымогенератора струи.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции дымогенератора, устранение пульсаций и брызгообразования, повышение производительности, уменьшение размеров устройства.
Задача и технический результат достигаются тем, что в дымогенераторе, содержащем испаритель с выходным отверстием для дыма, емкость с дымообразующей жидкостью, устройство подачи дымообразующей жидкости в испаритель, электрический источник питания, датчик контроля температуры испарителя, испаритель состоит из выполненных из электропроводного материала корпуса и трубки испарителя, последовательно подключенных в качестве резистора к электрическому источнику питания, при этом в трубке испарителя, установлена нагреваемая вставка из пористого материала, длина которой больше диаметра трубки испарителя.
Дополнительный технический результат достигается тем, что выходное отверстие для дыма испарителя выполнено в виде сопла из электропроводного материала через которое корпус соединен с трубкой испарителя в электрическую цепь.
Дополнительный технический результат достигается тем, что нагреваемая вставка размещена со смещением к выходному отверстию.
Дополнительный технический результат достигается тем, что пористость нагреваемой вставки составляет не менее 80%.
Дополнительный технический результат достигается тем, что в качестве пористого материала использованы пористые сплавы и/или плотные пучки из тонкой металлической проволоки.
Дополнительный технический результат достигается тем, что нагреваемая вставка имеет длину:
1≥10d, где d - диаметр испарителя.
Дополнительный технический результат достигается тем, что нагреваемая вставка плотно прижата к внутренним стенкам трубки испарителя.
На фигуре 1 показана схема предлагаемого дымогенератора.
Предлагаемый дымогенератор (фигура 1) состоит из трубки испарителя 1, корпуса 2, сопла 3, фарфорового изолятора 4, термопары 5, термокомпенсационных проводов 6, термоконтроллера 7, нагреваемой вставки из пористого материала 8, источника питания 9, электропроводов 10, редукционного клапана 11, трассы подвода воздуха 12, компрессора 13, герметичной емкости 14 с дымообразующей жидкостью 15, трубки подвода дымообразующей жидкости 16, струя дыма, выходящая из устройства 17. На выходе из трубки испарителя 1 устанавливается выполненное из электропроводного материала сопло 3. Сопло 3 конструктивно замыкает электрическую цепь между трубкой испарителя 1 и корпусом 2. Между трубкой испарителя 1 и корпусом 2 находится трубчатый фарфоровый изолятор 4. На трубку испарителя 1 вблизи сопла 3 крепится термопара 5, термокомпенсационные провода 6 от которой пропускаются между фарфоровым изолятором 4 и корпусом 2 до коммутации с термоконтроллером 7. Нагреваемая вставка из пористого материала 8 размещается в трубке испарителя 1 перед соплом 3 и плотно прижимается к внутренним стенкам трубки испарителя 1 и нагревается стенками трубки испарителя 1. Источник питания 9 подключен электропроводами 10 к трубке испарителя 1. Редукционный клапан 11, расположен на трассе подвода воздуха 12 от компрессора 13 в герметичную емкость 14 с дымообразующей жидкостью 15. Герметичную емкость 14 с трубкой испарителя 1 соединяет трубка подвода дымообразующей жидкости 16.
Дымогенератор работает следующим образом. С помощью редукционного клапана 11 обеспечивается начальный подвод дымообразующей жидкости 15 из емкости 14 в трубку испарителя 1 и в нагреваемую вставку из пористого материала 8, до появления капелек жидкости на выходе из сопла 3. Дымообразующая жидкость 15 принудительно поступает в трубку испарителя 1 из емкости 14 с дымообразующей жидкостью 15 при подаче в нее избыточного давления газа. Затем источником питания 9 подается электропитание на трубку испарителя 1, до достижения устойчивой струи дыма 17 на выходе сопла 3, без пульсаций и брызг. Температура, соответствующая устойчивой струе дыма 17, фиксируется в термоконтроллере 7, который затем управляет работой источником питания 9, в зависимости от расхода дымообразующей жидкости 15 и от изменения температуры устройства при обтекании его внешним потоком.
В известных устройствах при вынужденном движении кипящей жидкости в трубке происходят сложные процессы в нагреваемой жидкости вблизи стенки трубки, связанные с изменениями теплофизических свойств среды. При умеренных тепловых нагрузках на поверхности трубки возникают пузырьки пара и по мере их роста они отделяются от поверхности и перемещаются к центру потока. Такое кипение называется пузырьковым кипением. При развитом пузырьковом кипении движение пузырьков интенсифицирует турбулизацию среды вблизи поверхности трубки и способствует увеличению коэффициента теплоотдачи.
При увеличении паросодержания пузырьковый режим движения переходит в снарядный, затем в дисперсно-кольцевой, а далее - в дисперсный с наличием тонкой пленки жидкости на стенах. В условиях этого движения происходят сложные процессы массообмена между тонкой пленкой жидкости и паровым ядром, несущим тонкодиспергированную влагу. При достаточно интенсивном кипении жидкости в пленке может наблюдаться пузырьковый вынос влаги в паровой поток (разбрызгивание), обусловленный разрывом поверхности жидкой пленки отрывающимися паровыми пузырями.
Процессы кипения и парообразования в трубчатых нагревателях существенно зависят от угла наклона трубки относительно горизонта.
При применении дымогенератора в реальных условиях динамически изменяется пространственная ориентация дымогенератора вблизи испытываемой модели, что может приводить к изменениям процессов парообразования и выбросам из дымогенератора капелек жидкости.
С целью стабилизации работы трубчатого дымогенератора в реальных условиях его применения предлагается техническое решение, основой которого является дополнительное увеличение площади нагрева жидкости в трубке с одновременным увеличением гидравлического сопротивление в ней, которое ликвидирует пульсирующее движение паров жидкости на выходе из трубки нагревателя.
В предлагаемом дымогенераторе отсутствует внешний нагревательный элемент. Нагрев дымообразующей жидкости производится за счет нагрева трубки испарителя из электропроводного материала, являющейся омическим сопротивлением в цепи электропитания дымогенератора. Трубка испарителя представляет собой тонкостенный трубчатый омический нагреватель из нержавеющей стали с термопарой. На выходе из трубки испарителя устанавливается металлическое сопло, геометрические параметры которого выбираются из условия расхода дымообразующей жидкости и формирования истекающей из дымогенератора струи. Сопло конструктивно замыкает электрическую цепь между трубкой испарителя и корпусом. Между трубкой испарителя и корпусом находится фарфоровый изолятор. На трубку испарителя вблизи сопла крепится термопара, термокомпенсационные провода от которой пропускаются между фарфоровым изолятором и корпусом до коммутации с термоконтроллером.
Нагреваемая вставка из пористого материала размещается вблизи выходной части трубки испарителя перед соплом и плотно прижимается к внутренним стенкам трубки испарителя и нагревается стенками трубки испарителя, что приводит к увеличению площади нагрева дымообразующей жидкости. Нагреваемая вставка из пористого материала обеспечивает дополнительное гидравлическое сопротивление в трубке испарителя, за счет чего устраняет пульсации, связанные с пленочным кипением на стенках трубки испарителя. Пористость нагреваемой вставки составляет не менее 80%. В качестве пористого материала используются пористые металлические сплавы и/или плотные пучки из тонкой металлической проволоки.
Нагреваемая вставка имеет длину 1 не менее 10 диаметров трубки испарителя:
1≥10d, где d - диаметр трубки испарителя.
Размеры трубки испарителя выбираются по заданным величинам расхода дымообразующего вещества.
Таким образом, за счет увеличения площади нагрева в трубке испарителя дымогенератора, обеспечивается стабильная работа без пульсаций и брызгообразования. Дымогенератор является активным нагревательным устройством и не требует дополнительных внешних источников тепла в отличие от устройств-аналогов. Предлагаемый дымогенератор малогабаритный и имеет удобную эргономику, что является важным фактором в процессе испытаний в аэродинамических трубах для обеспечения видимой картины обтекания модели в процессе ее испытаний. Подтверждена применимость и работоспособность данного устройства в полном соответствии с техническим результатом.