РЕГУЛИРУЕМОЕ ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Настоящее изобретение относится к устройствам для генерирования монодисперсного облака из раствора технологической жидкости высокоскоростным потоком воздуха и предназначено для использования в составе многоцелевого аэрозольного генератора серии МАГ с целью применения в области сельского и лесного хозяйства для внесения удобрений, защиты растений от болезней, борьбы с вредителями растений, химической прополки посевов. Изобретение может быть использовано в технологиях, которые требуют качественное распыление жидкостей низкотемпературным высокоскоростным воздушным потоком - например, для уничтожения нежелательной древесно-кустарниковой растительности под линиями электропередач, над газопроводами и нефтепроводами, для санитарной обработки различных объектов. Также возможно использование для тушения пожаров тонкораспыленной водой или для решения ряда задач по ликвидации и минимизации негативного воздействия техногенных факторов на биосферу при проведении аварийно-восстановительных работ.
Известен распылитель технологической жидкости (1), содержащий осесимметричный корпус с гидроканалом и пневмоканалом, кольцевое сопло, установленное на корпусе и соединенное с пневмоканалом, акустический резонатор в виде кольцевой полости, выполненный в корпусе напротив выходного отверстия сопла соосно с ним, при этом гидроканал размещен снаружи пневмоканала (Пажи Д.Г. Галустов B.C. Распылители жидкости. М. Химия, 1979, с, 169, рис.V. 8, а)
Данное техническое решение является аналогом к предлагаемому техническому решению. Распыливание технологической жидкости в вышеуказанном устройстве происходит при воздействии на жидкостную струю сверхзвукового потока газа. Генерация звуковых колебаний при обтекании полоски резонатора сверхзвуковым потоком в системе кольцевое сопло плюс резонирующая полость приводит к увеличению частоты поверхностных колебаний, способствующих более тонкому распыливанию жидкости. Однако эти распылители жидкости имеют ряд недостатков, как по качеству распыла, так и по эксплуатационным характеристикам. Основным недостатком известного распылителя является полидисперсность распыла, которая обусловлена неоднородной структурой течения в сверхзвуковой струе, взаимодействующей с жидкостью. Кроме того, существенным недостатком известного устройства является сравнительно большой размер капель жидкости, связанный с тем, что размер капель распиливаемой жидкости зависит не только от акустической мощности излучателя, но и от времени пребывания их в зоне максимальной интенсивности акустических колебаний.
2
Известно, что генерация монодисперсного облака в ультразвуковых распылителях, использующих резонаторы Гартмана при давлениях сжатого воздуха перед соплом менее 0,9 кгс/см невозможна в связи с тем, что в таком резонаторе не происходит генерации ультразвука. Распылители с резонаторами Гартмана, по сути, являются однорежимными распылительными устройствами, которые неспособны устойчиво поддерживать монодисперсность генерируемого аэрозоля в широких пределах при увеличении подачи технологической жидкости. Это связано с тем, что получение монодисперсного облака в подобных однорежимных аэрозольных устройствах с акустическими резонаторами Гартмана путем увеличения подачи технологической жидкости ограничено как мощностью резонатора Гартмана так и временем нахождения технологической жидкости в поле ультразвуковых колебаний, что неминуемо приводит к получению облака с разным дисперсным составом капель технологической жидкости.
Известен диспергатор регулируемой дисперсности, (2) описанный в свидетельстве на полезную модель №37473, выбранный в качестве прототипа. Подача распыливающего агента (воздуха) для распыления технологической жидкости производится по двум пневмоканалам. Первый пневмоканал образован кольцевым сечением между полым внешним цилиндрическим корпусом и расположенной внутри него соосной ему внутренней цилиндрической стенкой, прикрепленной к внутреннему соосному цилиндрическому корпусу с определенным установленным зазором. Стенка и внутренний корпус образуют второй контур пневмоканала. Второй пневмоканал, расположенный между внутренней частью стенки и внутренним корпусом, обращен к резонатору Гартмана, установленному соосно. Технологическая жидкость подается во внутренний цилиндрический корпус через трубку и далее через регулируемый кольцевой зазор - в полость резонатора. Воздух на возбуждение резонатора поступает из второго контура пневмоканала. В полости резонатора происходит перемешивание воздуха с технологической жидкостью, далее карбюрированный таким образом двухфазный поток выносится в виде веерной струи в регулируемый первый контур пневмоканала, где происходит его дальнейшее распыление.
2
Первым недостатком данной конструкции является полное отсутствие регулирования распыла при давлении воздуха ниже 1,9 кгс/см, так как резонатор Гартмана полностью выключается из работы при дозвуковых режимах течения воздуха через критическое сечение сопла, и, по сути, является бесполезным.
Вторым недостатком данной конструкции является малая длина центрального тела со стойками подачи препарата, которая приводит к существенной турбулентности потока перед критическим сечением (на выходе из конического насадка). Капли распыленной технологической жидкости, попадая в такой турбулентный поток, соударяются и укрупняются, и, поэтому, генерируемое подобным устройством аэрозольное облако нельзя назвать монодисперсным.
Третьим недостатком данной конструкции является тот факт, что жидкость подается непосредственно в рабочую полость резонатора, что нарушает структуру поступающего в резонатор сверхзвукового потока воздуха. При этом генерируемая акустическим резонатором частота колебаний смещается из ультразвуковой в звуковую область - следовательно, резонатор Гартмана даже на околозвуковых режимах течения воздуха не осуществляет качественное дробление капель жидкости для получения монодисперсного облака. Полученная полидисперсность распыла технологической жидкости однозначно связана с неоднородной структурой течения двухфазного потока в полости резонатора и существенной неравномерностью заторможенного потока воздуха внутри него, а также недостаточным расходом воздуха (как распыливающего агента), поступающего из второго пневмоканала в резонатор.
Четвертым существенным недостатком прототипа является сложность регулировки дисперсности в зависимости от расхода технологической жидкости и невозможность дальнейшей автоматизации для регулирования дисперсности технологической жидкости с пульта управления и контроля. В практике имеются случаи, когда необходимо быстро изменить расход технологической жидкости и подстроить ее дисперсность непосредственно во время рабочего хода агрегата по обрабатываемой площади.
Таким образом, диспергатор регулируемой дисперсности, описанный в свидетельстве на полезную модель №37473 имеет недостаточно мощный резонатор Гартмана, и при этом время нахождения жидкости в поле ультразвука невелико, а как известно - размер капель распыливаемой жидкости зависит как от акустической мощности излучателя, так и от времени пребывания их в зоне максимальной интенсивности акустических колебаний. Таким образом, недостатками известного распылителя, описанного в свидетельстве на полезную модель №37473, является явное отсутствие монодисперсности распыла и сравнительно большой размер генерируемых капель, а также невозможность получения монодисперсного облака при пониженных давлениях сжатого воздуха и неудовлетворительное регулирование размера капель технологической жидкости.
Задачей предлагаемого пневмодиспергатора для многоцелевого аэрозольного генератора МАГ является получение монодисперсного облака технологической жидкости в широком диапазоне подачи технологической жидкости со снижением энергозатрат на процесс ее распыления, а также возможность регулирования дисперсности распыливаемой технологической жидкости дистанционно, путем изменения командного давления воздуха, осуществляемого с пульта управления и контроля.
На Фиг.1 показан продольный разрез акустического пневмораспылителя технологической жидкости:
1 - Корпус внешний
1
2 - Корпус внутренний
2
3 - Пневмоканал
3
4 - Канал подачи технологической жидкости
4
5 - Трубки
5
6 - Подвижный обтекатель потока
6
7 - Резонатор Гальтона
7
8 - Седло резонатора
8
9 - Стойки резонатора
9
10 - Полый шток резонатора
10
11 - Поршень резонатора
11
12 - Цилиндр
12
13 - Каналы подачи рабочего раствора
13
14 - Поршень регулирования прижима
14
15 - Шток регулирования прижима
15
16 - Полость регулирования
16
17 - Рабочая полость
17
18 - Штуцер подачи командного давления воздуха
18
19 - Пружина регулирования прижима
19
20 - Кольцевой поршень
20
21 - Подпоршневая полость
21
22 - Возвратная пружина кольцевого поршня
22
23 - Полый шток
23
24 - Конический насадок
24
25 - Опора седла резонатора
25
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежом, на котором изображен поперечный разрез распылителя. Распылитель жидкости состоит из осесимметричного внешнего корпуса 1, на оси симметрии которого установлен внутренний корпус 2. Корпус 1 и корпус 2 в совокупности образуют сужающийся кольцевой пневмоканал 3 для подачи сжатого воздуха. Корпус 1 и корпус 2 соединены между собой трубками 5, по которым технологический раствор подается во внутренний корпус 2. Корпус 2 оборудован, например, коническим подвижным обтекателем потока 6, необходимым для регулировки скорости потока воздуха. Подвижный обтекатель потока 6 расположен со стороны сужающейся части пневмоканала 3 и при перемещении в осевом направлении изменяет площадь пневмоканала 3 от 0 до 100%, если за 100% взять площадь кольцевого сечения между внешним и внутренним корпусами. Напротив подвижного обтекателя потока 6 соосно расположен резонатор Гальтона 7, который передней рабочей частью обращен к подвижному обтекателю потока, а задней частью опирается на седло резонатора 8. Площадь кольцевого зазора между седлом резонатора 8 и резонатором Гальтона 7 может изменяться при перемещении резонатора в осевом направлении. Технологическая жидкость через регулируемый кольцевой зазор между резонатором 7 попадает в пневмоканал 3. Резонатор Гальтона 7, жестко закреплен посредством резьбы с полым штоком 10, а сам полый шток соединен с поршнем 11, установленным внутри цилиндра 12. Цилиндр 12 жестко закреплен но внутреннем цилиндрическом корпусе 2 и оборудован каналами подачи рабочего раствора 13. Внутри цилиндра 12 коаксильно находится поршень регулирования прижима 14, жестко соединенный со штоком регулирования прижима 15, который проходит внутри полого штока 10 резонатора 7, образуя при этом в цилиндре полость регулирования 16 и рабочую полость 17. Полость регулирования 16 образована поршнем регулирования прижима 14 и дном цилиндра 12, в котором установлен штуцер 18, в который подается командное давление сжатого воздуха. Рабочая полость 17 образована поршнем регулирования прижима 14 и поршнем резонатора 11, между которыми установлена пружина регулирования прижима 19, при этом каналы подачи рабочею раствора 13 сообщаются с рабочей полостью 17. Шток регулирования прижима 15 выходит соосно из рабочей полости 17 в направлении выхода пневмоканала 3, с гарантированным зазором проходящий через седло резонатора 8 и опору седла резонатора 25; при этом опора седла резонатора 25 закреплена на стойках резонатора 9 с несколькими фиксированными положениями, (например с пятью фиксированными положениями), причем стойки резонатора 9 закреплены на внешнем корпусе 2 таким образом, что обеспечивают возможность осевого перемещения опоры седла резонатора 25 при изменении фиксированного положения стоек резонатора 9, что позволяет изменять расстояние от подвижного обтекателя потока 6 до резонатора 7. Пространство между полым штоком 10 резонатора и штоком регулирования прижима 14 является гидроканалом 4, в котором производится воздействие акустических колебаний на технологическую жидкость и по которому данная технологическая жидкость поступает в регулируемый кольцевой зазор между резонатором 7 и седлом резонатора 8. На стойки резонатора 9, соосно со штоком 10 резонатора 7 установлено седло резонатора 8, а с другой стороны стойки резонатора 9 закреплены при помощи кронштейнов на внешний корпус 1. Стойки резонатора 9 имеют несколько отверстий, позволяющих ступенчато изменять расстояние от резонатора 7 до подвижного обтекателя потока 6. Опора седла резонатора 25 имеет отверстие, выполненное вдоль оси симметрии, через которое с гарантированным зазором перемещается вдоль оси симметрии штока регулирования прижима 15. Перемещение штока регулирования прижима 15 позволяет изменять натяжение пружины регулирования прижима 19, и, следовательно, изменять кольцевой зазор подачи препарата между резонатором 7 и седлом резонатора 8. Положение штока регулирования прижима 15 относительно седла резонатора 25 однозначно определяет режим распыления рабочей жидкости. Изменение усилия прижима резонатора 7 к седлу 8 для регулирования кольцевого зазора подачи препарата зависит от величины командного давления воздуха, подаваемого в полость регулирования 16. С целью автоматического уменьшения дисперсности аэрозоля при повышении давления воздуха, проходящего через пневмоканал 3, внутри подвижного насадка 6 по оси симметрии установлен кольцевой поршень 20, разделяющий объем внутри подвижного насадка на две части - предпоршневую полость 21, в которой расположена пружина 22 и подпоршневую полость, в которую из пневмоканала 3 через кольцевую полость поступает сжатый воздух. Возникающее при этом усилие воздействует на кольцевой поршень 20, который преодолевает усилие пружины 22 и через полый шток 23 передает усилие на конический насадок 24, который в свою очередь упирается в рабочую поверхность резонатора Гальтона 7, придавливая его на седло резонатора 8. Чем больше давление в канале 3, тем сильнее давление конического насадка 24 на резонатор 7. Конический насадок 24 при перемещении штока 23 относительно резонатора 7 изменяет объем резонирующей полости, при этом максимальный объем резонирующей полости образуется при перемещении штока 23 с коническим насадком 24 в крайнее правое положение, при повышении давления воздуха в пневмоканале 3.
Устройство работает следующим образом. Сжатый воздух подается в пневмоканал 3 и далее к критическому сечению, образованному сужающимся насадком корпуса 1 и подвижным обтекателем потока 6, установленному на корпусе 2 со стороны выхода в атмосферу. Далее, сжатый воздух проходит критическое сечение, где расширяется и ускоряется, истекая в виде расширяющейся веерной струи. При истечении воздуха с большой скоростью происходит взаимодействие расширяющейся веерной струи с полостью резонатора 7, установленного по оси распылителя, в результате чего в резонаторе генерируются интенсивные вихревые течения и высокочастотные акустические колебания. Устойчивая генерация высокочастотных акустических колебаний в резонаторе Гальтона начинается при дозвуковых режимах истечения воздуха из сопла (полное давление от 0,05 мПа и выше). Частота генерируемых акустических колебаний зависит от расхода воздуха через резонатор, скорости истечения воздуха из критического сечения сопла, геометрических параметров полости резонатора 7, а также относительного положения радиально-кольцевой полости резонатора относительно критического сечения пневмоканала 3, что обусловлено характером взаимодействия истекающей из сопла веерной струи с полостью резонатора 7.
Рабочий раствор или технологическая жидкость поступает по трубке 5 во внутренний корпус 2 и заполняет кольцевой зазор между внутренним корпусом 2 и цилиндром 12, после чего через отверстия 13 заполняет рабочую полость и затем поступает в гидроканал 4 - кольцевой коллектор, образованный полым штоком резонатора и штоком регулирования прижима. Жидкость, поступившая в гидроканал 4, подвергается интенсивным высокочастотным акустическим колебаниям на всем протяжении маршрута от рабочей полости 17 через полый шток резонатора 10 до кольцевого зазора на выходе из гидроканала 4. Это воздействие акустичеких колебаний на технологическую жидкость объясняется тем, что объем жидкости, «озвучивается» при прохождении через полый шток резонатора 10, так как колеблющийся резонатор Гальтона 7 жестко закреплен на нем. Под воздействием высокочастотных акустических колебаний поток жидкости в гидроканале 4 переходит в нестабильное состояние. Проходя регулируемый кольцевой зазор между резонатором 7 и седлом резонатора 8, и, истекая в виде веерной струи жидкость дробится на отдельные капли. Достаточно длительное время нахождения жидкости в полости гидроканала в условиях воздействия высокочастотных акустических колебаний способствует дроблению веерной струи на мелкие капли с уменьшением энергии, идущей на распыление технологической жидкости, при этом высокие скорости истечения воздуха истекающие из критического сечения пневмоканала 3, способствуют вторичному дроблению капель рабочего раствора (жидкости) с получением монодисперсного спектра генерируемых капель и равномерному перемешиванию их с воздухом. Таким образом, при взаимодействии высокоскоростного потока воздуха с «озвученной» веерной струей технологической жидкости образуются капли приблизительно равного размера, которые увлекаются высокоскоростной потоком воздуха и образуют облако монодисперсного состава, которое оседает на целевых объектах.
В нерегулируемых пневмодиспергаторах имеется возможность регулировки генерируемых капель двумя путями - изменением скорости сжатого воздуха или изменением расхода технологической жидкости. В предлагаемом пневмоакустическом диспергаторе вышеуказанная регулировка дисперсности генерируемого монодисперсного облака дополнена еще двумя путями:
1. изменением кольцевого зазора между резонатором 7 и седлом резонатора 8 осуществляемым плавно, за счет изменения усилия прижима, осуществляемым во время работы агрегата
2. изменением расстояния между резонатором 7 и подвижным обтекателем потока 6, ступенчато, за счет перестановок стоек резонатора 9 в отверстиях фиксированного положения крепления к корпусу 1, осуществляемым при останове для грубой настройки агрегата.
Изменение кольцевого зазора и усилия прижима между резонатором 7 и седлом резонатора 8 осуществляется двумя способами - изменением командного давления воздуха полости регулирования 16 по команде с пульта управления и автоматически, при увеличении давления воздуха в пневмоканале 3. При увеличении давления сжатого воздуха в пневмоканале 3 поршень 20 начинает смещаться вправо, сжимая возвратную пружину кольцевого поршня 22. При этом жестко закрепленный на поршне полый шток 23 и приваренный к нему конический насадок 24 передвигается в осевом направлении внутри резонатора Гальюна 7, увеличивая его объем. При увеличении объема резонатора увеличивается интенсивность акустических колебаний, с соответственным увеличением их воздействия на веерную струю технологической жидкости.
При уменьшении давления сжатого воздуха поршень 20 начинает смещаться влево, уменьшая объем полости резонатора Гальтона 7. При полностью разжатой возвратной пружине 22 резонатор Гальтона 7 полностью выключен из работы, потому что конический насадок 24 смещается влево, перекрывая доступ воздуха в резонатор Гальтона 7 и его объем становится пулевым. Таким образом, при низких давлениях сжатого воздуха кольцевой поршень 20 пружиной 22 отводится в крайнее левое положение, ликвидируя тем самым объем резонирующей полости резонатора 7.
Грубая регулировка формы факела (угла распыла жидкости) производится за счет перестановок стоек резонатора 9 в узлах крепления к корпусу 1, при этом перемещение стоек приводит к изменению расстояния от подвижного обтекателя потока 6 до резонатора 7. При этом изменяются акустические характеристики резонатора 7.
Регулировка расхода технологической жидкости обеспечивается изменением кольцевого зазора между резонатором 7 и седлом резонатора 8 путем изменения командного давления воздуха, поступающего в полость регулирования 16 через штуцер 18. Положение поршня регулирования прижима 14 с закрепленным на нем штоком поршня регулирования прижима 15 однозначно определяет режим распыления технологической жидкости и это положение визуально определяется при работе агрегата по длине выступанию штока 15 из опоры седла резонатора 25. Для облегчения визуализации режимов работы на шток 15 через равные промежутки нанесены риски, а крайнее правое положение обозначено зафиксированной гайкой. Изменение усилия прижима резонатора 7 к седлу 8 для регулирования кольцевого зазора подачи препарата напрямую зависит от величины командного давления воздуха, подаваемого в полость регулирования 16. При увеличении командного давления воздуха с пульта управления, поршень регулирования прижима 14 со штоком 15 перемещается в крайнее правое положение, сжимая пружину регулирования прижима 19, при этом пружина передает усилие на поршень резонатора 11, которое через полый шток резонатора 10, увеличивает прижатие рабочей части резонатора 7 на седло резонатора 8. Увеличение усилия прижатия резонатора 7 на седло 8 уменьшает площадь проходного сечения кольцевого зазора подачи рабочего раствора между резонатором 7 и седлом резонатора 8, обеспечивая тем самым уменьшение расхода технологической жидкости, что в свою очередь уменьшает размер капель генерируемого аэрозоля.
Техническим результатом реализации изобретения является получение монодисперсного облака (с оптимальным размером частиц ядохимиката, необходимых для воздействия на строго определенный вид насекомых), генерируемого пневмодиспергатором из растворов физиологически активных веществ, в широком диапазоне расходов технологической жидкости при широком диапазоне аэрозольных частиц с дистанционного пульта управления. В результате реализации изобретения происходит улучшение качества обработок посевов за счет исключения влияния «человеческого фактора» с повышением качества распыла с улучшением эксплутационных характеристик. При этом конструкция пневмодиспергатора многоцелевого аэрозольного генератора МАГ позволяет уменьшить энергетические затраты при эксплуатации за счет возможности генерации монодисперсного облака технологической жидкости на рабочих режимах с пониженным давлением сжатого воздуха.
1. (ПАЖИ д.г. Галустов B.C. Распылитители жидкости. М. Химия, 1979, с.169, рис.V. 8,а)
2. RU 37473 МПК 7 B05B 17/00 от 05.01.2004 г. «Диспергатор регулируемой дисперсности» - прототип.