Патент на изобретение №2346756

(54) ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распиливания жидкостей и суспензий, например водоугольного топлива, и может быть использовано для нанесения различных покрытий. Задачей изобретения является создание пневматической форсунки с такой формой газового и жидкостного трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования. Для этого в пневматической форсунке на торце трубы для подачи жидкости расположен распыливающий насадок, выполненный в виде диффузора с выпуклой со стороны потока жидкости формой его образующей. Кольцевая насадка на трубе ниже газового сопла имеет форму сходящейся к оси корпуса выпуклой головки. Длина головки ниже газового сопла имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора. 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. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распыливания жидкостей и суспензий (например, водоугольного топлива).

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 жидкостные 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, 1996 г., В05В 7/02].

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 этой форсунке, основанной на использовании эффекта Коанда, ширина кольцевых и газовых, и жидкостного сопл должны быть достаточно малыми, а скорости потоков большими. В тех случаях, когда форсунка предназначена для распыливания сильно вязких жидкостей, в силу наличия узких щелей в конструкции форсунки, требуются высокие давления для прокачки жидкостей. Кроме того, если форсунка предназначена для распыливания суспензий, содержащих твердые абразивные частицы, такие форсунки быстро изнашиваются.

Таким образом, недостатком известной форсунки является невысокая эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий и ее быстрый износ.

Из известных решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является пневматическая форсунка [патент РФ №2015347, 1991 г., E21F 5/04], 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 прототипе 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, как и в аналоге, недостатком известной форсунки является недостаточная эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий. Кроме того, конструкция разбрызгивающего устройства, предложенного в прототипе, в тех случаях, когда жидкость содержит абразивные частицы, не исключает быстрого износа стенок щелевого жидкостного сопла.

В основу изобретения положена задача создания пневматической форсунки с такой формой газового и жидкостного трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в пневматической форсунке, содержащей 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, а также воздушный канал и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости, распыливающий участок выполнен в виде диффузора с выпуклой со стороны потока жидкости формой его образующей, а кольцевая насадка на трубе ниже газового сопла выполнена в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки, при этом длина головки ниже газового сопла имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора.

На чертеже представлен продольный разрез предложенной форсунки.

Форсунка содержит корпус 1 с патрубком 2 для подачи сжатого воздуха, трубу 3 для подачи жидкости, переходящую в диффузорное сопло 4, и кольцевую насадку 5, формирующую кольцевое газовое сопло 6.

Образующей диффузорного сопла 4, согласно изобретению, преимущественно придана форма дуги окружности, плавно сопряженной с продольной образующей внутренней стенки трубы для подачи жидкости.

Диаметр выходного сечения диффузорного сопла 4, согласно изобретению, преимущественно в пять и более раз превышает диаметр трубы для подачи жидкости.

Форма образующей кольцевой насадки 5 ниже газового сопла, согласно изобретению, преимущественно выполнена в виде дуги окружности.

Угол между касательной к образующей головки кольцевой насадки J на трубе для подачи жидкости 3 в ее концевой точке и осью корпуса, согласно изобретению, преимущественно составляет 25-40 градусов.

Предложенная пневматическая форсунка работает следующим образом. Газ подается в корпус 1 через патрубок 2. Струя газа, вытекающая из сопла 6, не отрываясь в силу эффекта Коанда, движется вдоль сходящейся наружной стенки насадки 5 и образует за пределами форсунки сходящийся струйный газовый поток. В результате столкновения струй образуются струйное течение вдоль оси форсунки и возвратная струя типа кумулятивной.

Подача жидкости под напором в трубу 3 приводит к формированию струи, вытекающей из сопла 4. Благодаря эффекту Коанда жидкость, вообще говоря, имеет тенденцию прилипать к стенкам диффузного сопла и растекаться вдоль них тонкой струей. Однако процесс этот не является достаточно устойчивым и при отсутствии газового потока жидкость вытекает сосредоточенной струей, примыкая к стенкам диффузора 4 то в одном, то в другом месте.

Высокоскоростная возвратная струя газа, внедряясь в жидкостную струю вдоль ее оси, нарушает целостность струи и заставляет жидкость равномерно распределяться тонкой струей по стенкам диффузора 4. При этом возвратная газовая струя после соударения с жидкостной струей еще раз изменяет свое направление на обратное, растекается вдоль стенок диффузора и ускоряет поток жидкости, а внутри конуса, образованного основной газовой струей, формируется тороидальный вихрь. В результате взаимодействия жидкостной струи и газового потока на выходе из диффузора 4 образуется газокапельный поток. Какая-то часть мелких капель жидкости попадает и в возвратную газовую струйку. Однако капли только увеличивают среднюю плотность потока по сравнению с чистым газом, и эффективность возвратной струйки как разрушителя сосредоточенной струи жидкости увеличивается.

На предложенную пневматическую форсунку разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на воде и водоугольном топливе показали хорошее качество распыления и высокую износоустойчивость форсунки.

Формула изобретения

1. Пневматическая форсунка, 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, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости, отличающаяся тем, что распыливающий участок выполнен в виде диффузора с выпуклой со стороны потока жидкости формой его образующей, а кольцевая насадка на трубе ниже газового сопла выполнена в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки, при этом длина головки ниже газового сопла имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора.

2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что образующая внутренней стенки диффузора имеет форму дуги окружности, плавно сопрягающейся с продольной образующей внутренней границы трубы для подачи жидкости.

3. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр выходной кромки диффузора превышает более чем в пять раз диаметр трубы для подачи жидкости в месте перехода ее в диффузор.

4. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что образующая кольцевой насадки на трубе для подачи жидкости имеет форму дуги окружности.

5. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что угол между касательной к образующей головки кольцевой насадки на трубе для подачи жидкости в ее концевой точке и осью корпуса составляет 25-40°.

РИСУНКИ