ФОРСУНКА СТРУЙНО-ВИХРЕВАЯ
SWIRLING NOZZLE

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве устройства для диспергирования жидкостей в насадочных колоннах, камерах орошения, в брызгальных бассейнах и тому подобных тепломассообменных агрегатах.
Наиболее эффективно использование предлагаемой форсунки в скрубберах, градирнях и других контактных аппаратах эжекционного типа, в которых, наряду с разбрызгиванием жидкостей, необходимо обеспечить подсос большого количества газа, поскольку факел диспергированной жидкости, создаваемой форсункой, обладает повышенной эжектирующей способностью.
Известна форсунка, которая содержит корпус с камерой смешения, сопло и вкладыш-завихритель со сквозным осевым отверстием и наклонными каналами на периферийной части. Выходное отверстие сопла цилиндрической формы (см. патент RU, №2205703, С2, 7 В05В 1/34, дата опубликования 2003.06.10).
Эта форсунка имеет следующие недостатки.
Окружная составляющая скорости движения периферийных струй существенно снижается при их столкновении в камере смешения с центральной частью потока, движущейся прямолинейно через осевое отверстие вкладыша, вследствие чего влияние центробежных сил на формирование структуры факела пропорционально уменьшается. Кроме того, форсунка создает значительное гидравлическое сопративление движению потока ввиду того, что все каналы проточной части имеют острые кромки на входе и выходе.
Известна струйно-вихревая форсунка, которая наиболее близка по своим техническим решениям - прототип. Данная форсунка содержит корпус с камерой завихрения и соплом. Расположенный внутри завихритель имеет тангенциальные каналы и средство создания осевого потока в виде радиальных пазов на торцевой поверхности, обращенной в камеру завихрения (см. а.c. SU, №657858, А, В05В 1/34 1979).
Данная форсунка имеет ряд недостатков.
Поток на входе в корпус форсунки сразу же сталкивается с торцевой стенкой завихрителя, вследствие чего затормаживается, изменяет свое направление и распределяется по периферийным каналам. Далее, попадая в камеру завихрения, поток снова наталкивается на плоскую торцевую стенку камеры. Такие столкновения наряду с движением по стесненным каналам, суммарная площадь которых в несколько раз меньше площади внутреннего сечения корпуса, приводят к существенным потерям напора.
Малый уклон каналов вкладыша не обеспечивает быстрого вращения потока в камере завихрения, что является одним из условий существования активного вихря.
Сопло в форме цилиндрического отверстия в тонкой стенке камеры завихрения не определяет угол раскрытия факела, влияющий на эффективность работы форсунки.
Острые кромки на входе и выходе всех проточных каналов также увеличивают дополнительные потери энергии, что в совокупности с другими гидравлическими сопротивлениями существенно снижают расход жидкости через форсунку.
В тепло-массообменных аппаратах контактного типа процесс осуществляется при непосредственном контакте жидкой и газовой фаз. Поэтому, помимо прочего, на эффективность работы агрегата оказывает существенное влияние эжектирующая способность факела диспергированной жидкости. Исследования показали, что заполненный факел, создаваемый форсункой, взятой в качестве прототипа, имеет малый коэффициент эжекции. Максимальной эжектирующей способностью обладает факел, имеющий форму полого конуса с углом раскрытия 34-40°.
Целью данного изобретения является изготовление форсунки с минимально возможным гидравлическим сопротивлением, обеспечивающим мелкое диспергирование жидкости и высокий коэффициент эжекции.
Конструкция форсунки представлена на фигурах 1-4. На фиг.1 представлен общий вид форсунки в сборе. На фиг.2 - разрез по фиг.1. Форсунка включает в себя три основные детали: распределительную камеру поз.1, насадку поз.2 и завихритель поз.3. Все три детали формуют из полимерных материалов. Распределительная камера с хвостовиком поз.1 и насадка поз.2, собранные с помощью резьбового соединения, образуют корпус форсунки, внутри которого установлен завихритель поз.3. Резьбовые соединения снабжены уплотнительными кольцами поз.4.
В верхней части насадка поз.2 имеет выходное отверстие поз.5 с плавными контурами, выполненное в виде сопла Вентури. На конфузорной части этого сопла расположены полусферические выступы поз.6.
Конструкция завихрителя поз.3 изображена на фигурах 3 и 4. На фиг.3 - общий вид завихрителя. На фиг.4 - разрез по фиг.3. Со стороны распределительной камеры завихритель имеет расходящиеся от оси к периферии желоба поз.7 полуцилиндрической формы. Со стороны насадки завихритель имеет внутреннюю полость поз.8 в виде тела вращения сложной конфигурации. Верхняя часть объема полости цилиндрическая, средняя часть представляет собой выпуклую поверхность парабалической формы, переходящую в цилиндрическое глухое отверстие вдоль оси. Полость поз.8 соединена с желобами поз.7 плавно изогнутыми каналами поз.9. Причем каналы сориентированы по касательной к цилиндрической части внутренней полости завихрителя. На параболической поверхности внутренней полости завихрителя, так же, как и на конфузорной части сопла, расположены выступы поз.10 полусферической формы.
Форсунка работает следующим образом. Поток жидкости, поступающий в корпус форсунки через хвостовик, в объеме распределительной камеры поз.1 разделяется на части и движется по желобам поз.7, в конце которых линии тока плавно изгибаются, и потоки устремляются через каналы поз.9 во внутреннюю полость завихрителя поз.8. Потоки в каналах приобретают значительное ускорение вследствие их постепенного сужения. Части потока, вырывающиеся из каналов, далее движутся по кольцевой траектории, образуя вихрь в объеме полости поз.8, вращающийся с очень большой скоростью. Затем поток выталкивается через выходное отверстие поз.5, в горловине которого, на основании закона сохранения количества движения, скорость вращения еще более возрастает, так как диаметр вихря в горловине сопла много меньше его диаметра внутри полости. После горловины вращающийся поток проходит диффузорную часть сопла, определяющую в значительной мере угол раскрытия факела. Одновременно вращающийся во внутренней полости поток омывает полусферические выступы поз.6 и поз.10, вследствие чего в объеме большого вихря дополнительно возникают малые локальные вихри. Эти вихри порождают множество сильно закрученных струй, определяющих мелкодисперсную структуру и форму факела в виде полого конуса.
Вследствие стремительного вращения потока в его центральной части создается зона значительного разрежения. Падение давления сопровождается интенсивным испарением, а следовательно, и активным охлаждением жидкости уже в объеме факела. Наличие большого количества пара в факеле отчетливо просматривается при работе форсунки.
Таким образом, большие скорости, сложный характер движения частиц, мелкое диспергирование жидкости и общая структура факела обеспечивают высокий коэффициент эжекции и способствуют интенсивному охлаждению жидкости.