РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ
FLUID SPRAYER

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для генерации газокапельных потоков, и может быть использовано в системах пожаротушения, в составе технологического оборудования, используемого, например, для нанесения различного рода покрытий, в устройствах сжигания жидкого топлива и поливочных агрегатах.
В настоящее время для распыления жидкостей на больших площадях применяются различные типы конструкции распылителей жидкости. Так, например, известен распылитель жидкости, содержащий корпус с двумя коаксиально расположенными каналами: осевым каналом цилиндрической формы и внешним кольцевым каналом с винтообразными направляющими элементами (патент РФ №2159649, МПК-7 А62С 37/08, опубликован 27.11.2000). За счет организации взаимодействия струйного и центробежного потока в области формирования газокапельного потока с помощью данного распылителя обеспечивается равномерное пространственное распределение мелкодисперсных капель.
В другой конструкции распылителя жидкости для увеличения площади поперечного сечения формируемого газокапельного потока с равномерным распределением мелкодисперсных капель используются несколько цилиндрических каналов с регулируемым направлением их осевых линий (см. авторское свидетельство СССР №1243746, МПК-4 А62С 31/02, опубликовано 15.07.1986).
Известен также многоструйный распылитель жидкости, который описан в патенте РФ №2316369, МПК А62С 31/02, В05В 7/04, опубликован 10.02.2008. Известное устройство, применяемое для пожаротушения, содержит многоструйное сопло по меньшей мере с пятью профилированными каналами, с помощью которых обеспечивается формирование пространственно равномерного газокапельного потока большого поперечного сечения. Каждый профилированный канал состоит из трех последовательно расположенных участков: конического участка, сужающегося в направлении течения жидкости, цилиндрического участка и конического участка, расширяющегося в направлении течения жидкости. Выходные отверстия четырех периферийных каналов равномерно распределены по окружности на торцевой поверхности корпуса сопла вокруг выходного отверстия центрального (осевого) сопла. Выходные отверстия всех каналов имеют одинаковые диаметры. Периферийные профилированные каналы направлены под одинаковым углом к оси симметрии центрального профилированного канала. Угол наклона осей периферийных каналов выбирается в диапазоне до 10°. При этом оси всех каналов пересекаются в одной точке.
При использовании многоструйного сопла происходит соударение струй, дробление струй на мелкие капли и последующее смешение отдельных потоков с образованием общего мелкодисперсного газокапельного потока, обладающего пространственной однородностью. Однако следует отметить, что пространственная однородность газокапельного потока, формируемого с помощью многоструйного сопла, ограничена областью соударения струй, за пределами которой происходит расширение потока с образованием нескольких радиально ориентированных зон, отличающихся как по размеру капель, так и по пространственному распределению капель.
Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является распылитель жидкости, конструкция которого раскрыта в патенте РФ №2258567 (МПК-7 В05В 1/14, опубликован 20.08.2005). Распылитель жидкости содержит корпус с каналами для формирования струй жидкости. Каналы направлены таким образом, что их осевые линии скрещиваются за выходными отверстиями в пространственной области формирования распыленного потока жидкости. При этом минимальное расстояние между скрещивающимися осевыми линиями каналов не превышает среднюю величину гидравлического радиуса поперечного сечения каналов. Для генерации газокапельных потоков с широким факелом распыла угол пересечения фронтальных проекций осевых линий выбирается в широком диапазоне значений (до 179°).
При указанных условиях в области формирования газокапельного потока происходит пересечение периферийных частей струй жидкости. В области пересечения струй под действием тангенциальных составляющих скоростей в потоке жидкости происходит вихреобразование, вращение захваченного пересекающимися струями потока жидкости и, вследствие этого, интенсивное разрушение струй жидкости с последующим образованием мелкодисперсного газокапельного потока. Зона вихреобразования расширяется по мере сближения струй и захватывает струи жидкости в процессе их перемещения от выходных отверстий каналов.
Поскольку в процессе работы происходит пересечение струй и вихреобразование в области схождения струй жидкости, то данному распылителю присуще, как и другим аналогам, снижение однородности газокапельного потока по размеру капель и снижение пространственной равномерности распределения капель за пределами области формирования газокапельного потока.
Кроме того, при изготовлении известного распылителя жидкости требуется обеспечить высокую точность взаимного расположения осей каналов из-за малого расстояния между сходящимися струями. Вследствие этого усложняется технология изготовления устройства и увеличивается его стоимость.
Изобретение направлено на создание распылителя жидкости, позволяющего генерировать мелкодисперсные газокапельные потоки, большого поперечного сечения потоки, обладающего пространственной равномерностью распределения капель и однородностью капель по размерам вдоль направления течения газокапельного потока. Вместе с тем ставится задача по снижению технологических требований по точности изготовления корпуса распылителя с пространственно ориентированными каналами.
С решением перечисленных задач связаны достигаемые при использовании распылителя жидкости технические результаты, заключающиеся в повышении пространственной равномерности распределения капель жидкости в газокапельном потоке и повышении однородности капель по размерам при увеличении поперечного сечения потока, а также в упрощении технологии изготовления распылителя.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается с помощью распылителя жидкости, содержащего корпус, по меньшей мере, с четырьмя осесимметричными каналами, предназначенными для формирования струй жидкости. Каналы направлены таким образом, что их осевые линии скрещиваются за выходными сечениями каналов в пространственной области формирования распыленного потока жидкости. Выходные отверстия каналов имеют одинаковый диаметр. Согласно изобретению, входные и выходные отверстия каналов расположены равномерно по окружностям. Диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области подвода жидкости, превышает диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области формирования распыленного потока жидкости. Расстояние между кромками близлежащих выходных отверстий каналов выбрано размером не менее одного диаметра выходного отверстия канала.
Изобретение в совокупности перечисленных выше признаков обеспечивает достижение технических результатов за счет осуществления следующих процессов и явлений.
При использовании каналов, осевые линии которых скрещиваются в пространственной области формирования распыленного потока жидкости, а кромки выходных отверстий удалены друг от друга не менее чем на один диаметр отверстия, струи жидкости на начальном участке не пересекаются друг с другом. Истекающие из выходных отверстий каналов струи жидкости заполняют пространственный объем в области формирования распыленного потока жидкости. Определенная ориентация струй жидкости относительно оси симметрии корпуса распылителя характеризуется тем, что диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области подвода жидкости, превышает диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области формирования распыленного потока жидкости. За счет данной ориентации струи жидкости направляются в области их схождения к оси симметрии корпуса распылителя. При этом при свободном истечении струй жидкости происходит их расширение и частичное распыление под действием сопротивления окружающей газовой среды.
В области сближения струй на минимальное расстояние периферийные части распыленных потоков взаимодействуют друг с другом, вследствие чего происходит турбулизация взаимодействующих потоков и их перемешивание. В результате взаимодействия предварительно распыленных струй жидкости образуется газокапельный поток, состоящий из мелкодисперсных капель, который расширяется в окружающее пространство под действием кинетической энергии капель. Следует отметить, что из-за того что оси каналов скрещиваются за выходными отверстиями каналов в пространственной области формирования распыленного потока жидкости, т.е. осевые части струй жидкости не пересекаются и удалены друг от друга на определенное расстояние, которое зависит от расстояния между кромками выходных отверстий каналов (не менее одного диаметра выходного отверстия канала), область перемешивания струй жидкости растягивается вдоль направления истечения формируемого газокапельного потока. Данное явление способствует образованию мелкодисперсных капель жидкости с равномерным пространственным распределением и однородным размером по всему поперечному сечению газокапельного потока на удаленном расстоянии от выходных отверстий каналов. При этом увеличивается поперечное сечение газокапельного потока за счет перемешивания предварительно распыленных струй жидкости.
Описываемые процессы наблюдаются при определенной концентрации струй жидкости в пространственной области формирования распыленного потока жидкости. Концентрация скрещивающихся струй жидкости, в свою очередь, определяется количеством каналов, выполненных в корпусе распылителя жидкости. В результате проведенных исследований было установлено, что существенное увеличение пространственной равномерности распределения капель жидкости и однородности образующихся капель жидкости по их размеру происходит при использовании, по меньшей мере, четырех сходящихся струй жидкости, формируемых соответственно в четырех ориентированных относительно друг друга каналах. При увеличении количества каналов повышается концентрация струй жидкости в окружающем пространстве и соответствующим образом повышается концентрация капель в распыленном потоке жидкости, а также равномерность распределения капель в потоке и однородность капель по размеру.
Необходимо отметить, что достижение результата, связанного с повышением равномерности пространственного распределения капель и однородности капель по их размеру, обеспечивается при минимальных требованиях по точности изготовления корпуса распылителя, поскольку точность ориентации каналов распылителя жидкости зависит от расстояния между кромками выходных отверстий каналов, которое составляет не менее одного диаметра выходных отверстий.
Наиболее высокие результаты по пространственной равномерности распределения капель жидкости и однородности капель жидкости по размеру достигаются при выборе минимального расстояния между скрещивающимися осевыми линиями каналов в области формирования распыленного потока жидкости в диапазоне от двух до четырех диаметров выходных отверстий каналов. Кроме того, угол наклона фронтальной проекции каждой скрещивающейся осевой линии канала относительно оси симметрии корпуса распылителя жидкости предпочтительно выбирается в диапазоне от 30 до 35°.
Для организации направленного дальнобойного газокапельного потока диаметр входных отверстий каналов выбирается больше диаметра выходных отверстий каналов. Каналы могут содержать три последовательно расположенных участка, первый из которых образован цилиндрической поверхностью, второй участок - конической поверхностью, сужающейся в направлении течения жидкости, третий участок - цилиндрической поверхностью. В этом случае входное отверстие первого участка является входным отверстием канала, а выходное отверстие третьего участка - выходным отверстием канала.
В каждом канале распылителя жидкости может быть установлена вставка с осевым цилиндрическим проточным каналом и внешними направляющими элементами, образующими с поверхностью каналов винтообразные проточные каналы. Данное выполнение распылителя жидкости обеспечивает дополнительное увеличение площади поперечного сечения формируемого газокапельного потока за счет завихрения струй жидкости в каналах перед их истечением в окружающее пространство. В этом случае закрученные в винтообразных проточных каналах струи жидкости начинают расширяться сразу же за выходными сечениями каналов. Вследствие этого периферийные части струй начинают взаимодействовать на более близких расстояниях от поверхности корпуса распылителя, обращенной к области формирования распыленного потока.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации изобретения со ссылками на поясняющие чертежи. В качестве примера выполнения описана конструкция распылителя жидкости с четырьмя каналами, в каждом из которых установлена вставка с осевым цилиндрическим каналом и внешними направляющими элементами, образующими с поверхностью канала винтообразные проточные каналы.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - вид сбоку на корпус распылителя жидкости;
на фиг.2 - вид на поверхность распылителя жидкости, обращенную к области формирования распыленного потока жидкости (см. вид А на фиг.1);
на фиг.3 - вид на поверхность распылителя жидкости, обращенную к области подвода жидкости (см. вид Б на фиг.1);
на фиг.4 - разрез корпуса распылителя жидкости по плоскости, в которой расположена осевая линия одного из каналов (см. плоскость В-В на фиг.2);
на фиг.5 - вид на торцевую поверхность вставки (в увеличенном масштабе), установленной в канале (см. вид Г на фиг.4);
на фиг.6 - вид на боковую поверхность вставки с местным разрезом (в увеличенном масштабе).
Распылитель жидкости содержит корпус 1 с обтекателем 2 конической формы, расположенным со стороны области подвода жидкости. На корпусе 1 образован кольцевой буртик 3 для крепления распылителя жидкости к подводящему трубопроводу и фиксации положения распылителя относительно орошаемой поверхности в узле крепления. Диаметр корпуса 1 составляет 37 мм. В корпусе 1 выполнено четыре сквозных канала 4, которые служат для создания струй жидкости определенной пространственной ориентации в области формирования распыленного потока жидкости.
вых
вых
Каналы 4 направлены таким образом, что их осевые линии скрещиваются (не пересекаются) за выходными отверстиями каналов в пространственной области формирования распыленного потока жидкости. Выходные отверстия 5 каналов 4 имеют одинаковый диаметр (см. фиг.2). Диаметр d выходных отверстий 5 для рассматриваемого варианта конструкции распылителя жидкости составляет 2 мм. Выходные отверстия 5 расположены равномерно по окружности. Диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов 4 со стороны поверхности корпуса, обращенной к области формирования распыленного потока жидкости, равен 8 мм. Расстояние между кромками близлежащих выходных отверстий 5 составляет 3 мм, т.е. больше диаметра d выходного отверстия.
вх
вх
вых
Входные отверстия 6 каналов также равномерно расположены по окружности (см. фиг.3) и имеют одинаковый диаметр d=8мм, т.е. d>d. Диаметр окружности, проходящей диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов 4 со стороны поверхности корпуса, обращенной к области подвода жидкости, составляет 19 мм. Данный диаметр превышает диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области формирования распыленного потока жидкости (8 мм).
вых
При описанном выше расположении каналов и их взаимной ориентации минимальное расстояние между скрещивающимися осевыми линиями каналов в области формирования распыленного потока жидкости составляет 6 мм, т.е. 3d. Угол наклона фронтальной проекции скрещивающихся осевых линий каналов 4 относительно оси симметрии корпуса 1 равен 33°.
Каждый канал 4 содержит три последовательно расположенных участка (см. фиг.4). Первый участок 7 имеет цилиндрическую форму. Входное отверстие первого участка 7 является входным отверстием канала 4. С первым участком 7 соединен второй участок 8, образованный конической поверхностью, сужающейся в направлении течения жидкости. Третий участок 9 соединен с выходом второго участка 8 и имеет цилиндрическую форму. Выходное отверстие третьего участка 9 является выходным отверстием канала 4.
В рассматриваемом примере выполнения распылителя жидкости в каждом канале 4 на первом участке 7 установлена вставка 10, служащая для завихрения потока жидкости в полости канала (см. фиг.4). Вставка 10 выполнена с осевым цилиндрическим проточным каналом 11 и внешними направляющими элементами, образующими с поверхностью канала 4 винтообразные проточные каналы 12 (см. фиг.5 и 6). Вставка 10, установленная в канале 4, представляет собой струйно-центробежную форсунку. Осевой и винтообразные проточные каналы форсунки сообщены через конический сужающийся второй участок 8 и сопряженный с ним третий участок 9 с выходным отверстием 5 канала.
Генерация газокапельного распыленного потока осуществляется с помощью распылителя жидкости следующим образом.
Распылитель жидкости устанавливается над орошаемой поверхностью в узле крепления. К корпусу 1 распылителя со стороны обтекателя 2 подключается трубопровод, через который подается вода под давлением от 0,8 до 1,2 МПа. Герметизация соединений производится с помощью кольцевого буртика 2, который прижимается гайкой с одной стороны к фланцу узла крепления, а с другой стороны к фланцу подводящего трубопровода. После подачи воды под давлением происходит равномерное распределение потока жидкости с помощью обтекателя 2 по поверхности, на которой расположены входные отверстия 6 каналов 4. Далее поток жидкости перераспределяется в четырех каналах 4. При прохождении потока жидкости через первый участок 7, в котором установлена вставка 10, происходит закручивание периферийной части потока в винтообразных проточных каналах 12. При прохождении жидкости через осевой цилиндрический проточный канал 11 обеспечивается струйное течение приосевой части формируемой струи жидкости.
На втором сужающемся коническом участке 8 происходит сжатие закрученного потока. Дальнейшее формирование потока жидкости происходит на третьем цилиндрическом участке 9. Сформированный в канале 4 поток жидкости истекает в окружающее пространство через выходное отверстие 5. В результате четыре сходящиеся струи жидкости с периферийными закрученными частями заполняют пространственную область, в которой происходит образование распыленного потока.
Ориентация струй жидкости относительно оси симметрии корпуса распылителя (направления формирования распыленного потока жидкости) определяется тем, что диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области подвода жидкости, превышает диаметр окружности, проходящей через осевые линии каналов со стороны поверхности корпуса, обращенной к области формирования распыленного потока жидкости. Угол наклона фронтальной проекции оси симметрии каждой из скрещивающихся струй относительно оси симметрии корпуса 1 составляет 33°. Данный эффект обеспечивается за счет соответствующей ориентации осевых линий каналов 4. Вследствие этого происходит сближение струй жидкости в приосевой пространственной области генерируемого газокапельного потока, однако их осевые части не пересекаются.
На начальном участке (за выходными отверстиями 5) струи жидкости и их периферийные части струй жидкости не взаимодействуют друг с другом. При дальнейшем течении струй происходит их расширение при взаимодействии с окружающей газовой средой. Процесс расширения стимулируется в рассматриваемом примере реализации изобретения за счет предварительной закрутки периферийных частей струй с помощью вставок 10, выполняющих функцию завихрителей потока. Вследствие этого в периферийных областях поперечного сечения струй жидкости нарушается сплошность потока и образуется газокапельная фракция.
При сближении предварительно распыленных струй жидкости происходит турбулизация взаимодействующих друг с другом периферийных частей потоков и их интенсивное перемешивание. В результате образуется газокапельный поток, состоящий из мелкодисперсных капель жидкости со среднеарифметическим размером от 30 до 150 мкм по сечению потока. При этом за счет выбранной ориентации каналов со скрещивающимися осевыми линиями приосевые части струй не пересекаются и не взаимодействуют друг с другом. По этой причине кинетическая энергия приосевых частей струй используется в полной мере для направленного движения капель в направлении от выходных отверстий 5 каналов 4, и область перемешивания струй растягивается вдоль направления течения формируемого распыленного потока жидкости.
Вследствие протекания указанных процессов образуется широкоапертурный распыленный поток жидкости с равномерным пространственным распределением мелкодисперсных капель и высокой однородностью капель по размеру по поперечному сечению потока на удаленном расстоянии от выходных отверстий каналов. Данный результат достигается при минимальных технологических требованиях к точности выполнения каналов в корпусе распылителя жидкости.
Описанный выше пример реализации изобретения основан на использовании распылителя жидкости с четырьмя каналами, в которых установлены вставки-завихрители, однако это не исключает возможности достижения технического результата при применении распылителя в ином конструктивном выполнении, например с большим количеством каналов, при использовании гладких каналов без вставок-завихрителей.
Следует отметить, что при увеличении количества каналов повышается концентрация струй в области формирования распыленного потока, что положительно влияет на равномерность распределения и однородность капель по размеру. При отсутствии вставок-завихрителей формирование распыленного потока происходит на более удаленном расстоянии от выходных отверстий каналов по сравнению с вариантом конструкции распылителя, в котором используются вставки-завихрители. Кроме того, при использовании гладких каналов увеличивается размер капель в распыленном потоке жидкости и дальнобойность генерируемого потока. Данная особенность может быть полезна для некоторых областей применения распылителя жидкости, например при его использовании для тушения очагов возгораний на удаленном расстоянии.
В целом конструктивные дополнения, описанные в зависимых пунктах формулы изобретения, не исключают иных вариантов выполнения конструкции распылителя, в котором реализовано изобретение.
Изобретение может использоваться в системах пожаротушения, а также в составе технологического оборудования различного назначения. Так, например, распылитель жидкости может применяться в технологических процессах напыления покрытий или в процессах, связанных с созданием охлаждающих газокапельных завес. Наряду с системами пожаротушения и технологическим оборудованием распылитель жидкости может применяться для сжигания топлива в теплоэнергетике и на транспорте, для увлажнения окружающей среды и распыления дезинфицирующих веществ и инсектицидов.