ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА
PNEUMATIC NOZZLE

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распыливания жидкостей и суспензий, например водоугольного топлива (ВУТ).
Известна пневматическая форсунка, в которой струя жидкости вводится в соосный газовый поток [Распыливание жидкостей. / Бородин В.А. и др. - М., 1976]. Принцип работы таких форсунок связан с возникновением на поверхностях раздела жидкости и газа волн, в результате взаимодействия которых с газовым потоком струя жидкости (пленка) распадается на капли.
Недостатком известной конструкции форсунки является тот факт, что с ростом размера жидкостного сопла и расхода жидкости резко ухудшается качество распыливания.
Известна также пневматическая форсунка, содержащая корпус с размещенным по оси штоком, жидкостный канал и два газовых канала, расположенных по разные стороны от жидкостного канала, причем жидкостный и газовые каналы переходят сначала соответственно в жидкостное и газовые щелевые сопла, а затем в общую камеру смешения, образованную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью выходного, выполненного сферическим, торца штока [патент РФ №2106914, B05B 7/02, 1996 г.].
В этой форсунке струя жидкости подается в высокоскоростной попутный газовый поток вдоль выпуклой образующей выходного торца штока. В силу эффекта Коанда струя жидкости прилегает к стенкам штока. Свободная граница такой струи неустойчива (неустойчивость Тейлора). На поверхности струи образуются продольные ребра. С удалением от сопла высота ребер увеличивается и струя распадается на пластинчатые радиальные струйки. Попутный высокоскоростной газовый поток обдувает каждую пластинчатую струйку жидкости с двух сторон. В силу неустойчивости Гельмгольца струйки распадаются на мелкие капли. Непосредственно у стенки штока размер капель может быть недостаточно малым. Газовый поток, вводимый в камеру смешения через внутреннее газовое сопло, производит дополнительное измельчение капель.
В такой форсунке ширина кольцевых, газовых и жидкостного сопл должна быть достаточно малой, а скорости потоков большими. В случаях использования форсунки для распыливания сильно вязких жидкостей в силу наличия узких щелей в конструкции форсунки требуются высокие давления для прокачки жидкостей. Кроме того, такие форсунки быстро изнашиваются, если их используют для распыливания суспензий, содержащих твердые абразивные частицы.
Таким образом, недостатками известной форсунки являются невысокая эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий и ее быстрый износ.
Известна также пневматическая форсунка [патент РФ №2015347, E21F 5/04, 1991 г.], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса с возможностью осевого перемещения трубу для подачи жидкости, на торце которой расположен распыливающий насадок, выполненный в виде конического диффузора, установленного на выходе из трубы для подачи жидкости, и усеченного конуса, закрепленного внутри диффузора с помощью продольной пружины, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и эластичной кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости.
В этой форсунке жидкая струя, вытекающая из щелевого конического сопла, сталкивается с набегающим под углом газовым потоком и разбрызгивается на капли. Эффективное распыливание жидкой струи происходит только при высоких скоростях и газового, и жидкостного потоков. Следовательно, недостатком известной форсунки является недостаточная эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий. Кроме того, конструкция разбрызгивающего устройства, в тех случаях, когда жидкость содержит абразивные частицы, не исключает быстрого износа стенок щелевого жидкостного сопла.
Из известных решений наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является пневматическая форсунка [патент РФ №2346756, B05B 7/02, 15.05.2007], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкости, переходящую в диффузор, и газовое сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости. Кольцевую насадку на трубе ниже газового сопла выполняют в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки. За счет конструктивного выполнения струя жидкости растекается тонкой пленкой по стенкам диффузора и пересекает сходящуюся струю газа. В результате их взаимодействия образуется газокапельный поток. Форсунка не содержит узких жидкостных каналов. Уменьшение толщины жидкой пленки происходит за счет ее растекания на стенках диффузора. Поэтому для успешной работы форсунки даже в случае большой вязкости жидкости или суспензии не требуются высокие давления и большие скорости потока жидкости, что предохраняет форсунку от абразивного износа.
Недостатком этой форсунки является тот факт, что при ее работе вдоль выпуклой стенки кольцевой насадки в газовом потоке образуется большой положительный градиент давления, который может вызывать отрыв потока от стенки и подсос рабочей жидкости в зону отрыва. При этом вблизи стенки может возникнуть тороидальный вихрь, порождающий большие скорости потока у стенки. В том случае, если жидкость содержит абразивные частицы, стенки насадки подвергаются абразивному износу.
В котле, работающем на ВУТ, разогрев топки котла на начальном этапе осуществляют сжиганием дизельного топлива или мазута, а затем по мере повышения температуры в топке к дизтопливу все более и более подмешивают ВУТ вплоть до выхода на режим работы котла только на ВУТ. Для распыливания дизельного топлива приходится устанавливать в топку дополнительные устройства. Целесообразно функции распылителя дизельного топлива возложить на основную форсунку, однако данная форсунка не обладает такой возможностью.
При использовании пневматической форсунки на парогенерирующих котлах газовый компонент может быть эффективно заменен на перегретый пар после выхода котла на устойчивый режим работы. Данная форсунка также не обладает такой возможностью.
К недостаткам данной форсунки нужно отнести также тот факт, что диаметром создаваемой ею газокапельной струи не всегда удается управлять.
Задачей изобретения является создание пневматической форсунки с такой формой газовых и жидкостных трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования, с возможностью распыливания многокомпонентных смесей и замены рабочего газа на перегретый пар, а также с возможностью управления размерами газокапельного факела.
Поставленную задачу решают тем, что в пневматической форсунке, содержащей корпус с внутренней кольцевой камерой и патрубок для подвода в нее сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкости, переходящую в диффузор, на торце которого расположена кольцевая насадка в форме сходящейся к оси корпуса осесимметричной головки, и кольцевое щелевое газовое сопло на выходе из кольцевой камеры, образованное корпусом и наружной границей кольцевой насадки, кольцевой насадке ниже газового сопла придают форму тела с вогнутой границей, например, в виде дуги окружности. Трубу для подачи жидкости оснащают дополнительным патрубком для подмешивания к основной жидкости другой жидкости на распыливание, кольцевую камеру для сжатого газа оснащают дополнительным патрубком для подачи в нее другого газа или пара, причем патрубки для подвода сжатого газа и пара в газовую камеру имеют оси, смещенные относительно плоскости симметрии форсунки, благодаря чему осуществляют тангенциальный подвод газа и пара в газовую камеру.
Сравнение изобретения с выбранным ближайшим аналогом показало, что пневматическая форсунка имеет существенные отличия в конструкции газового и жидкостного трактов, что позволяет обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования.
При поиске совокупности признаков, тождественных всем признакам заявленного изобретения, в приведенных выше аналогах и других источниках патентной и научно-технической литературы соответствий не обнаружено, что подтверждает соответствие данного изобретения критерию “новизна”.
Приведенный ниже пример возможного использования пневматической форсунки демонстрирует соответствие данного изобретения критерию “промышленная применимость”.
Суть изобретения поясняется чертежом.
На чертеже представлен продольный разрез предложенной форсунки. Форсунка содержит корпус 1 с патрубком 2 для подвода газа и патрубком 3 для подвода пара, трубу 4 для подачи жидкости с патрубком 5 для подвода другой компоненты жидкости, переходящую в диффузорное сопло 6, с кольцевой насадкой 7, формирующей совместно с корпусом форсунки 1 кольцевое газовое сопло 8. Форму образующей кольцевой насадки 7 ниже газового сопла согласно изобретению выполняют в виде вогнутой дуги, например дуги окружности.
Предложенная пневматическая форсунка работает следующим образом.
Струя газа, вытекающая из сопла 8, движется вдоль вогнутой наружной стенки насадки 7 и образует за пределами форсунки сходящийся вращающийся струйный газовый поток. При этом за счет отрицательной кривизны стенки на стенке образуется повышенное давление и в отличие от прототипа не возникает отрыва потока при всех прочих положительных (с точки зрения распыливания жидкости) эффектах взаимодействия газовой и жидкостной струй. Через дополнительный патрубок на трубе для подвода рабочей жидкости, например ВУТ, производят подмешивание другой компоненты, например дизельного топлива. Через дополнительный патрубок на корпусе форсунки осуществляют параллельно или альтернативно подвод другого газа или пара. В силу того что патрубки для подвода сжатого газа и пара имеют оси, смещенные относительно плоскости симметрии форсунки, патрубки осуществляют тангенциальный подвод газа и пара в газовую камеру, благодаря чему происходит вращение газовой струи на выходе из сопла и увеличение поперечных размеров газокапельного факела.
На предложенную пневматическую форсунку разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на воде и водоугольном топливе показали хорошее качество распыливания. На ООО «Завод стеновых блоков» (г.Новосибирск) предложенная форсунка уже длительное время успешно обеспечивает работу топки котла, ориентированного на сжигание ВУТ. На данной форсунке легко удается осуществлять одновременную подачу в топку ВУТ и дизельного топлива и перевод работы топки с одного вида топлива на другой, а также перевод форсунки с подачи сжатого воздуха на перегретый пар. Удается также и управление поперечными размерами газокапельного факела.