КАПЕЛЬНОЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области физики, а именно к способам и устройствам для измерения или испытания, не отнесенным к другим подклассам, и предназначена для перевода жидких аэрозолеобразующих составов (АОС) в аэрозольное состояние в лабораторных условиях термоконденсационным способом.
Термоконденсационный способ используется в термических дымовых приборах, которые работают на принципе испарения при высокой температуре жидких продуктов нефтяной промышленности с последующим их выбросом в атмосферу, где происходит их охлаждение и конденсация. Основным элементом любого термического дымового прибора являются: генератор горячих газов, испаритель и сопловой аппарат. Заявляемая полезная модель, в соответствии с ее назначением относится к устройству испарителя, который является основной частью дымового прибора.
Известно устройство конструкции испарителя, которое характеризуется наличием теплопроводной перегородки между газом и жидким дымовым веществом. Конструктивно оно оформляется в виде трубчатого змеевика, внутри которого течет жидкое дымовое вещество, а снаружи дымовое вещество омывается горячими газами. Такой испаритель сложен по устройству, имеет значительную массу и неудобен в эксплуатации вследствие возможности отложения кокса на внутренних стенках змеевика. Данное устройство можно отнести только к аналогу заявляемой полезной модели.
К сходной совокупности существенных признаков аналога и заявляемой полезной модели относится только общий замысел назначения и осуществление испарителем термоконденсационного способа.
Также известно устройство конструкции испарителя, которое характеризуется непосредственным взаимодействием горячих газов и жидких нефтепродуктов. Данный физический процесс достигается методом дробления жидкого продукта на мелкие капли в потоке горячих газов. Данный метод получил наибольшее распространение, а испарители, в которых осуществляется этот метод, названы капельными.
Устройство капельного испарителя включает: горизонтально расположенную цилиндрическую трубу, выполненную из нержавеющей стали типа 1.Х.18Н9Т, и форсунки, установленные во входной части испарителя. Принцип работы капельного испарителя заключается в следующем. Образующиеся при работе топливного генератора горячие газы направляются в испаритель, во входной его части установлены форсунки, к которым воздушным насосом под давлением 25 атмосфер подается жидкий нефтяной продукт. Форсунки дробят его на капли и направляют в горячий газовый поток. К концу испарителя жидкие продукты полностью испаряются, и парогазовая смесь через сопловой аппарат выбрасывается в атмосферу, где и происходит ее охлаждение и конденсация паров. Данное устройство капельного испарителя принято авторами за ближайший аналог заявляемой полезной модели.
К сходной совокупности существенных признаков прототипа и заявляемой полезной модели относится наличие горизонтально расположенных цилиндрической трубы, выполненной из нержавеющей стали типа 1.Х.18Н9Т, и форсуночного механизма, обеспечивающего дробление на капли и распыление жидкого дымового продукта, а также осуществление термоконденсационного способа.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся:
- большие массогабаритные характеристики, не позволяющие использовать капельный испаритель в лабораторных условиях;
- использование воздушных насосов большой производительности;
- значительный расход дымообразующего вещества, и минимальная регулируемость процесса дымообразования, зависящая от величины рабочего давления воздушного насоса;
- горизонтальное расположение капельного испарителя и форсунок для распыления жидкого продукта;
- отдельное размещение генератора горячих газов и несвойственная полезной модели его работа от топливной энергии.
(В качестве литературных источников, для описания раздела «Уровень техники» использовались учебные пособия: М.А. Коробков, В.И. Пузако. Дымовые и зажигательные средства. Основы устройства и применения. Москва. Военная академия химической защиты, 1960 г. стр. 17-23 и под редакцией В.К. Пикалова «Применение дымов в бою и операции». - М.: Воениздат, 1975. - 143 с.).
Задачей заявляемой полезной модели является устранение названных выше недостатков, а также создание компактного, капельного испарительного устройства с низким энергообеспечением для получения высокодисперсного аэрозоля регулируемой производительности и дисперсности при переводе жидких АОС в аэрозольное состояние термоконденсационным способом.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является реальная возможность проведения экспериментальных исследований и испытаний штатных и перспективных АОС на основе нефтепродуктов в лабораторных условиях и, как следствие, получение объективных и достоверных данных о размерах аэрозольных частиц, которые снижают маскировку объектов в видимом диапазоне спектра ЭМИ до их возможной визуальной идентификации.
Предварительно, авторами заявки проведены расчеты линейных и физических параметров лабораторного испарительного устройства, где использовалась схема расчета теплового баланса газотермического генератора дымовой машины ТДА-2К.
Проведенные расчеты позволили значительно уменьшить габариты основных конструктивных элементов заявляемого устройства и определить: необходимое количество электроэнергии для перевода капли АОС в аэрозольное состояние; внутренний объем зоны испарения жидкости; температуру нагревания и испарения одной капли АОС и промежуток времени между падением капель АОС, а также разработать и создать новую конструкцию капельного испарителя, соответствующего лабораторным условиям. Результаты расчетов будут изложены ниже в разделе «Раскрытие и осуществление полезной модели».
Сущность заявляемого устройства заключается в вертикальном размещении его внешнего корпуса и внутренней испарительной камеры, поддержание в ней заданной температуры, а также включения в его конструкцию дозатора обеспечивающего вертикальную подачу капель малого объема в центр воздушной зоны испарительной камеры.
Поставленная задача достигается за счет того, что в устройстве ближайшего аналога, состоящего из цилиндрической трубы (внешнего корпуса испарителя) горизонтального расположения, выполненной из нержавеющей стали типа 1.Х.18Н9Т, и форсуночного механизма, обеспечивающего дробление на капли дымового продукта, реализующего в своей работе термоконденсационный способ, согласно заявляемой полезной модели, внешний корпус испарителя с суженной верхней частью, на обоих торцах которого находятся днища с технологическими отверстиями для размещения дозатора и термопары, выполнен в вертикальном положении, а в верхнюю его часть, горизонтально встроены соосно в диаметрально противоположных направлениях круглые разъемы для нагнетания воздуха и выхода аэрозоля, при этом в центральной части верхнего дна по центру установлен дозатор с возможностью вертикальной подачи капель аэрозолеобразующего состава с объемами от 0,2 до 1,0 мл в центр разогретой внутренней воздушной зоны испарительной камеры со временем ввода жидкой навески от 30 до 60 секунд, в зависимости от вязкости исследуемого аэрозолеобразующего состава; внутренняя часть внешнего корпуса испарителя от нихромовой спирали проложена последовательно листовой слюдой, трехслойным асбестовым шнуром, алюминиевой фольгой, термически стойкой ватой, а в центральной части нижнего дна внешнего корпуса испарителя для создания температуры 750±50°С соосно с его конструкцией размещена керамическая трубка, обвитая нихромовой спиралью с заданным количеством витков и разогревающаяся от подачи напряжения 80 В, в центре которой закреплен металлический цилиндр с объемом 0,018 л, выполняющий функции испарительной камеры, в которой контакт термопары с ее нижним дном выполнен с возможностью обеспечения температурного контроля испарения жидкого аэрозолеобразующего состава.
Отличительные признаки обеспечили создание конструкции капельного испарительного устройства низкого энергообеспечения для получения высокого дисперсного аэрозоля регулированной производительности и дисперсности при переводе жидких АОС в аэрозольное состояние термоконденсационным способом.
Вертикальное расположение внешнего корпуса испарителя с суженной верхней частью, дозатора жидкого АОС и испарительной камеры обеспечивают надежную работоспособность конструкции капельного испарительного устройства и высокую точность доставки капель малого объема в центр внутренней зоны испарительной камеры, а соосное и горизонтальное расположение круглых разъемов в диаметрально противоположных направлениях в верхней части внешнего корпуса испарителя способствует в первую очередь, к нагнетанию воздуха с постоянной скоростью от электровентилятора в его внутренний объем и во вторую очередь, обеспечивает смешивание полученного аэрозоля с потоком воздуха и строго направленный его выход для определения дисперсности и размера аэрозольных частиц.
Вертикальное расположение термопары и ее контакт с нижним дном испарительной камеры позволяет обеспечить наиболее достоверный и объективный контроль за температурами испарения АОС и отходящих газов.
Использование нихромовой спирали с заданным количеством витков и ее нагрев от подаваемого напряжения 80 В позволяет реально осуществить нагрев внутренней воздушной зоны испарительной камеры с низким энергообеспечением до температуры 750±50°С, а последовательное прокладывание от нихромовой спирали листовой слюдой, трехслойным асбестовым шнуром, алюминиевой фольгой и термически стойкой ватой, практически обеспечивает сохранение данной температуры в испарительной камере на протяжении выполнения лабораторного эксперимента.
Объем испарительной камеры равный 0,018 л и время ввода в него жидкой навески, составляющего от 30 до 60 секунд (в зависимости от вязкости исследуемого АОС) обеспечивают мгновенное испарение АОС без кипения, образования шлаков и выбрасывания в тракт воздуховода выседающих капель больших размеров.
Подача капель АОС из дозатора с объемами от 0,2 до 1,0 мл и время их ввода в центр разогретой внутренней воздушной зоны испарительной камеры до температуры 750±50°С позволяет получить высокодисперсный аэрозоль регулируемой производительности (расход АОС) и дисперсности и исключить форсуночный механизм, обеспечивающий дробление на капли дымового продукта.
Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1, на которой приведена схема конструкции капельного испарительного устройства для перевода жидких АОС в аэрозольное состояние. Согласно схеме, капельное испарительное устройство включает следующие конструктивные и вспомогательные элементы:
1 - керамическая трубка;
2 - нихромовая спираль;
3 - асбестовый шнур;
4 - алюминиевая фольга;
5 - термически стойкая вата;
6 - листовая слюда;
7 - термопара ТХА-045;
8 - датчик контроля температуры;
9 - дозатор жидкого АОС;
10 - внешний корпус испарителя;
11 - испарительная камера;
12 - верхнее дно;
13 - нижнее дно;
14 - круглый разъем для выхода аэрозоля;
15 - круглый разъем для подачи воздушного потока;
16 - преобразователь напряжения JIATP-2M;
17 - источник тока (≈220 В);
18 - надпольная платформа.
Внешний корпус испарителя 10 представляет собой металлическую цилиндрическую обечайку с суженной верхней частью и выполненную из нержавеющей стали типа 1.Х.18Н9Т с вертикальным расположением. Общая высота обечайки составляет 0,42 м. На обоих торцах обечайки встроены верхнее съемное 12 и нижнее 13 днища диаметром 0,1 и 0,16 м, соответственно. В центре верхнего дна 12 расположен дозатор жидкого АОС 9, а в центре нижнего 13-термопара 7. В качестве дозатора жидкого АОС 9 используется набор из пяти капиллярных капельниц с различным диаметром отверстия капилляра. В зависимости от вязкости исследуемого АОС размер отверстия капилляра обеспечивает время ввода очередной жидкой навески в испарительную камеру 11, которое составляет от 30 до 60 секунд (расход АОС). В соответствии с диаметром капилляров дозатор 9 позволяет вырабатывать капли с объемами 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1 мл. Ввод жидкого АОС в капиллярную капельницу осуществляется шприцом малого объема. Термопара 7 и ее контакт с нижним дном испарительной камеры 11 вместе с датчиком температуры 8 обеспечивают контроль за температурой испарения АОС и выходом газов. В центральной части внешнего корпуса испарителя 10 помещена керамическая трубка 1, вокруг которой намотана нихромовая спираль 2. Количество витков спирали при подаче напряжения 80 В обеспечивает нагрев воздушной зоны до температуры 750±50°С в металлическом цилиндре, выполняющего функции испарительной камеры 11, который размещен в центре керамической трубки 1. Высота цилиндра испарительной камеры 11, при его диаметре 0,015 м составляет 0,1 м, а его объем воздушной зоны 0,018 л. С целью сохранения заданной температуры в испарительной камере 11, ее корпус после нихромовой спирали последовательно обмотан листовой слюдой 6, трехслойным асбестовым шнуром 3 и алюминиевой фольгой 4.
Остальной объем заполнен термически стойкой ватой 5. Предложенная последовательность расположения вспомогательных элементов гарантирует поддержание заданной температуры в объеме воздушной зоны испарительной камеры и электробезопасность работы заявляемого устройства. В верхней части внешнего корпуса испарителя 10 горизонтально и соосно в диаметрально противоположных направлениях встроены круглые разъемы с одинаковым диаметром 0,1 м. Левый круглый разъем 14 предназначен для выхода аэрозоля и определения размера аэрозольных частиц, правый 15 для ввода воздушного потока, исходящего от электровентилятора (на фиг. 1 электровентилятор отсутствует). Корпус испарителя 10 за счет нижнего дна 13 для удобства его эксплуатации, прикреплен к надпольной платформе 18. Внешний вид капельного испарительного устройства представлен на фиг. 2. Работоспособность заявляемой полезной модели обеспечивается от электрической сети 17 (≈ 220 В) и подается на преобразователь напряжения 16 ЛАТР-2М, который в свою очередь понижает напряжение до 80 В необходимого для разогрева нихромовой спирали 2.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем. При подаче напряжения (≈ 220 В) на ЛАТР-2М, преобразуется напряжение до 80 В и подается на контактную группу нихромовой спирали 2. Происходит разогрев металлического цилиндра испарительной камеры 11, в результате чего ее воздушная зона нагревается до заданной температуры (750±50°С). Через дозаторное устройство 9 в центр испарительной камеры 11 подается по каплям необходимое количество АОС, который испаряясь, образует аэрозоль. Образующийся аэрозоль попадает в верхнюю ссуженную часть внешнего корпуса испарителя 10, откуда воздушным потоком, поступающим из правого круглого разъема 15 перемещается в левый разъем 14. На выходе левого разъема 14 устанавливают и включают пробоотборное переносное устройство ПУ-3Э (рекомендуются возможные варианты для использования - фотоэлектрический счетчик «Дельта» или портативный счетчик аэрозольных частиц Handheld-2016) и с установленной скоростью прокачивания воздуха осуществляют отбор пробы аэрозоля и определяют размер аэрозольных частиц.
Для подтверждения выше изложенных материалов представляются данные лабораторного эксперимента, проведенного с дымовой смесью всесезонной ДС-В. Результаты определения фактических размеров аэрозольных частиц, полученных с использованием капельного испарительного устройства приведены в таблице.
Полученные результаты экспериментов показывают, что производительность диспергирования жидкой дымовой смеси всесезонной ДС-В регулируются в пределах от 0,2 до 1,0 мл/мин с получением высокодисперсного аэрозоля с размерами аэрозольных частиц от 13 до 80 мкм.
Таким образом, экспериментально подтверждена работоспособность и эффективность разработанного капельного испарительного устройства с низким энергообеспечением и возможность его использования в лабораторных условиях для перевода жидких АОС на основе нефтепродуктов в аэрозольное состояние термоконденсационным способом с получением высокодисперсного аэрозоля регулируемой производительности и дисперсности.