Способ смешивания жидкости и газа

 

Использование: в области машиностроения, в частности, в энергетике, транспорте, химическом машиностроении, бытовой технике и в других областях, где реализуются процессы смешивания жидкости и газа и процессы тепломассообмена между ними без разделения теплоносителей. Сущность изобретения: по способу смешивания жидкости и газа потоки жидкости и газа вначале пропускают через проницаемый элемент, а затем образовавшийся двухфазный поток ускоряют путем пропускания его через сопло. Давления жидкости и газа до пропускания их через проницаемый элемент выравнивают с помощью специального устройства. Давления жидкости и газа дополнительно выравнивают путем подачи потоков жидкости и газа в общий ресивер и смешивания, а затем образовавшийся двухфазный поток пропускают через проницаемый элемент. Жидкость и газ предварительно подогревают за счет подвода энергии извне, в качестве материала проницаемого элемента используют металлы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к энергетике, транспорту, химическому машиностроению, бытовой технике и к другим областям, где имеют место процессы смешивания жидкостей и газов и тепломассобмена между ними без разделения теплоносителей.

При качественном смешивании жидкости и газа в двухфазной среде должны устанавливаться равномерные поля концентраций как жидкости, так и газа, а также одинаковые равномерные поля давления и температур. Такое перемешивание жидкости и газа характеризуется прежде всего увеличением поверхности контакта между жидкостью и газом за счет дробления жидкости на мелкие капли, что очень важно, например, для увеличения эффективности процессов, протекающих в химических реакторах, процессов сжигания жидких топлив в различных энергоустановках, тепломассообмена в теплообменниках без разделения теплоносителей, для снижения эмиссии вредных веществ при сжигании жидких углеводородных топлив, расхода воды в быту и т.д.

Примером устройства, с помощью которого реализуется какой-либо способ смешивания жидкости и газа, может служить распылитель. Распыливание, в котором для улучшения распыливания жидкости используется газ, называется пневматическим, а распылитель, с помощью которого реализуется такое распыливание, -пневматическим распылителем.

Процесс смешивания жидкости и газа может частично происходить в распылителе, а частично - за его пределами. Ту часть смешивания жидкости и газа, которая происходит в распылителе, будем называть внутренним смешиванием, а ту часть смешивания жидкости и газа, которая происходит за его пределами, - внешним смешиванием. В соответствии с этим известные способы смешивания жидкости и газа можно разделить на два больших класса: к первому классу отнесем способы, имеющие внутреннее и внешнее смешивание жидкого и газового компонентов, а к второму классу - способы, имеющие только внешнее смешивание. Детальная классификация устройств, в которых реализуется пневматическое распыливание жидкости, содержится в работе [1] Основы техники распыливания жидкостей. Пажи Д.Г., Галустов В.С. М.: Химия, 1984, 254 с.

Будем рассматривать способы из первого класса.

Известен способ смешивания [2] (авт. св. N 614821, Б.И. N 26, 1978), в соответствии с которым жидкость и воздух смешивают путем подачи в струю жидкости, истекающую из круглого сопла, соосно закрученного газа, охватывающего струю. Затем оба потока ускоряют путем пропускания через общее сопло. Расстояние между соплами очень мало и составляет несколько калибров жидкостного сопла, а скорость жидкости слишком велика, чтобы процессы смешивания между жидкостью и газом до момента истечения из форсунки могли завершиться полностью. Для надежного перемешивания спутных струй необходимо 50-60 калибров [3] (Прикладная газовая динамика. Абрамович Г.Н. Изд. 3-е. Перераб. М.: Наука, 1969, 824 с., с. 343-349). Кроме того, градиенты скорости потоков газа и жидкости слишком малы, чтобы заметно проявились эффекты дробления жидкости на капли в пределах форсунки.

Известны также способы внутреннего смешивания [1], в соответствии с которыми в первом случае жидкость и газ смешивают путем подачи жидкого компонента в виде нескольких одиночных струй в сплошную струю газа. Струи жидкости расположены под углом к оси струи газа и равномерно по окружности. Хотя смешивание жидкости и газа происходит в диффузоре, путь смешивания в несколько калибров не может обеспечить их надежное смешивание. Во втором случае жидкость и газ смешивают по аналогичной схеме, только теперь жидкий компонент подают в виде сплошной струи, а газ - в виде нескольких одиночных струй под некоторым углом к оси струи жидкости с периферии. По той же причине, как и в первом случае, не обеспечивается надежное смешивание жидкости и газа даже с точки зрения дисперсирования жидкости, не говоря уже о выравнивании концентраций и температур.

Рассмотренные выше способы внутреннего смешивания являются струйными и отличаются только схемами подачи струй жидкости и газа.

Недостатки рассмотренных способов внутреннего смешивания жидкости и газа устраняются в способе [4] (авт. св. N 897306, Б.И. N 2, 1982), согласно которому жидкость и газ пропускают через проницаемый элемент (ПЭ), установленный на оси форсунки. Причем подачу жидкости и газа в ПЭ производят раздельно: газ подают по оси ПЭ, а жидкость - через его цилиндрическую поверхность. В таком ПЭ, имеющем разветвленную поверхность с очень маленькими каналами, под действием капиллярных сил и турбулентных пульсаций скорости, давления, температуры и концентрации происходит дробление жидкости, а за счет хаотической структуры микроканалов ПЭ происходит взаимное проникновение жидкости и газа, с одной стороны, и процессы выравнивания полей давления, концентрации и температуры под действием баро-, массо- и термодиффузии, с другой стороны. Форсунка с таким ПЭ обеспечивает спектр распыливания жидкости, близкий к монодисперсному. К достоинствам этого способа смешивания можно отнести также тот факт, что монодисперсное распыливание жидкости достигается уже при незначительных перепадах давления на ПЭ, а также в широком диапазоне изменения соотношений массовых расходов газа и жидкости. За счет применения ПЭ путь смешивания жидкости и газа резко сокращается.

Все описанные выше способы смешивания жидкости и газа имеют общий недостаток - процессы выравнивания полей давлений, концентраций и температур при внутреннем смешивании осуществляются одновременно. В действительности же эти процессы протекают с различной скоростью, поэтому некоторые их них, например процесс выравнивания давления, не успевают завершиться в пределах устройств для смешивания жидкости и газа ввиду ограниченных размеров.

Из рассмотренных аналогов в качестве прототипа принимаем способ смешивания жидкости и газа, реализованный в устройстве [4].

Детальные экспериментальные исследования форсунки с ПЭ, проведенные автором в широком диапазоне температур, расходов и перепадов давлений на ПЭ как со стороны газа, так и со стороны жидкости показали, что она очень чувствительна к градиенту давления между жидкостью и газом на входе в ПЭ. Только при практически одинаковых давлениях газа и жидкости на входе в ПЭ обеспечивается качественный распыл жидкости. Даже при незначительных перепадах давления между жидкостью и газом резко ухудшается распыл жидкости, а при дальнейшем увеличении этого перепада катастрофически растет массовая и температурная неравномерность. Если давление газа превышает давление жидкости, то при достаточном увеличении перепада давления между газом и жидкостью может произойти запирание канала подачи жидкости.

Цель изобретения - увеличить эффективность и качество процессов внутреннего и внешнего смешивания жидкости и газа.

Оговоримся, что под качеством процесса смешивания будем понимать степень неравномерности полей давления, концентрации и температуры, а также дисперсность распыла жидкости. В экспериментах качество процесса смешивания оценивалось по результатам сопоставления измеренной температуры двухфазной струи на выходе из сопла и теоретической температуры этой струи, полученной расчетным путем, а также визуально по геометрическим характеристикам факела распыла и дисперсности распыла жидкости. Под эффективностью процесса смешивания будем понимать в основном путь от момента встречи потоков газа и жидкости до точки с заданными характеристиками образовавшегося двухфазного потока.

Цель достигается благодаря тому, что с помощью специального устройства выравнивания давления (СУВД) давления жидкости и газа на входе в ПЭ поддерживают приблизительно одинаковыми.

Эффективность и качество процесса смешивания жидкости и газа можно увеличить, если процесс внутреннего смешивания жидкости и газа вести в два этапа, причем процессы смешивания на каждом этапе разделить в пространстве и во времени. Вначале подают потоки жидкости и газа в ресивер, который назовем входным, и смешивают в нем жидкость и газ (под ресивером будем понимать пространство с таким объемом, при котором скорость потока, движущегося в этом пространстве, мала, а отношения статического и полного давлений, измеренных в одной и той же точке пространства, близки к единице). В процессе такого смешивания дополнительно выравнивают преимущественно давление двухфазного потока. Затем в процессе дальнейшего смешивания жидкости и газа выравнивают преимущественно поля концентраций и температур путем пропускания образовавшегося двухфазного потока через ПЭ.

После завершения процесса выравнивания полей давления, концентрации и температуры двухфазный поток ускоряют путем пропускания его через сопло, в результате чего образуется двухфазная струя.

Эффективность внешнего смешивания двухфазной струи с газом окружающего пространства можно существенно повысить, если эта струя будет нагретая. Для этого подогревают газ или жидкость, или одновременно и газ и жидкость до подачи их во входной ресивер за счет подвода энергии извне. Причем газ для большей безопасности подогревают в теплообменнике с электронагревателем, а жидкость - в теплообменнике с жидким или газообразным теплоносителем.

В качестве материала ПЭ используют металлы.

После выхода двухфазного потока из ПЭ вначале выравнивают в нем преимущественно поле давления путем подачи в выходной ресивер, а затем ускоряют в сопле.

Чтобы можно было прогнозировать и управлять процессом внешнего смешивания, поддерживают заданную температуру двухфазного потока на выходе из сопла меньшей или близкой к критической температуре жидкости, а давление потока на выходе из ПЭ поддерживают таким, чтобы исключить фазовый переход жидкости при заданной температуре потока. Для этого измеряют температуру и давление потока в соответствующих местах и, если измеренная температура потока и соответствующее ей измеренное давление не равны заданным, регулируют давления и (или) расходы, и (или) температуры жидкости и (или) газа. При этом давления жидкости и газа на входе в ПЭ поддерживают одинаковыми по предлагаемому способу. Если бы система, в которой движутся жидкость и газ, была бы адиабатической, то можно было бы при необходимости поддерживать температуру потока на выходе из сопла равной критической температуре жидкости. В действительности же из-за теплообмена с окружающей средой температуру этого потока приходится снижать на величину, соответствующую количеству тепла, отведенному в окружающую среду.

Так как при заданной температуре двухфазного потока на выходе из сопла нельзя произвольно задавать остальные параметры жидкости (давление p и удельный объем V), чтобы исключить фазовый переход жидкости, установим связь между p, V и T жидкости.

Будем рассматривать вещества, описываемые уравнением состояния. Такие вещества, в том числе и вещества, которые при нормальных условиях (p₀ = 1 атм = 101325 Па, T₀ = 273,15 К) являются жидкостями, с помощью уравнения состояния могут быть представлены графиком в координатах p, V при T = const. Если в качестве жидкости выбрать воду, то качественно и количественно этот график будет выглядеть так, как он изображен на фиг. 1. На графике (фиг. 1) изображена бинодаль LCe, левая ветвь которой рассчитана двумя методами: та, которая соответствует большим удельным объемам, рассчитана с помощью уравнения состояния Редлиха-Квонга [5] (Свойства газов и жидкостей. Р. Рид, Т. Шервуд. Пер. с англ. под ред. В.Б. Когана. Л.: Химия, 1971, 704 с.], а та, которая соответствует меньшим удельным объемам, -с помощью приведенных ниже соотношений. При задании давлений следует пользоваться левой ветвью бинодали с меньшими удельными объемами, так как она лучше соответствует экспериментальным данным. Кроме того, на графике показаны три изотермы, одна из которых критическая (T = T_C = const), проходящая через точку C, а две другие рассчитаны для 150^oC (T = 423,15 K) и 300^oC (T = 573,15 K) соответственно. В точке C вторая производная критической изотермы = 0, а ее первая производная везде отрицательна < 0. При T<T изотермы содержат волну с одним минимумом и одним максимумом, так что на изотермах обнаруживаются участки с положительными значениями (∂p/∂V)_T, отвечающие лабильным состояниям, в которых система неустойчива относительно даже очень малых, флуктуационных изменений состояния: она не может существовать как однородная и распадается на две фазы, отличающиеся по плотности - жидкую и газообразную. Геометрическое место минимумов и максимумов представляет собой кривую - спинодаль, которая образует область лабильных состояний вещества. Следовательно, область внутри бинодали распадается на две области: внутреннюю область лабильных состояний и внешнюю область метастабильных состояний вещества. Причем между левыми ветвями бинодали и спинодали находится область перегретой жидкости, а между правыми ветвями этих кривых - переохлажденный пар. Бинодаль ЛСе - граница между стабильными и метастабильными состояниями вещества. На ней лежат точки L и e сосуществующих фаз, которые соединяются нодами, т.е. горизонтальными прямыми. Точки L и e могут быть найдены по правилу Максвелла - равенства положительных и отрицательных площадей, ограниченных нодой Le и изотермой, проходящей через точки L и e. Это правило следует из требования равенства нулю работы циклического изотермического процесса, изображенного нодой Le и участком изотермы, стягивающей эту ноду. Участок изотермы левее точки L - область стабильных состояний жидкости (область 1), участок изотермы правее точки e - область стабильных состояний пара (область 2). При заданных T, p и V вещество в этих областях имеет наименьшее из всех возможных значений энергии Гельмголца и всегда существует как однородная система.

При T > T_C (область 2) система газообразна при любых давлениях.

В критической точке C жидкая и газообразная фазы становятся идентичными, плотности их совпадают. Причем в этой точке сливаются спинодаль и бинодаль, т. е. границы между лабильными и метастабильными, а также между метастабильными и стабильными состояниями вещества исчезают. Так как критическая точка принадлежит одновременно и критической изотерме и спинодали, то касательная к изотерме в точке C горизонтальна.

Переход однородной (гомогенной) системы к двухфазной (гетерогенной) сопровождается конечными изменениями состояния. Для осуществления таких изменений системе требуется преодолеть некоторый энергетический барьер, т.е. пройти состояние с большей энергией Гельмгольца, чем в исходном состоянии. В случае переохлажденного пара этот барьер связан с образованием очень малых капель -центров конденсации, в случае перегретой жидкости - с образованием зародышей паровой фазы. Поэтому при регулировании давления и температуры жидкости в процессе ее смешивания с газом необходимо иметь такие критериальные соотношения, которые позволяют надежно описывать вещество в различных фазовых состояниях, а следовательно, могут гарантировать нахождение рассматриваемого вещества в жидком состоянии, т.е. в области 1, при поддержании определенных значений температуры, давления и удельного объема. Оказывается достаточно иметь уравнения, задающие критическую изотерму и левую ветвь бинодали. Уравнение, описывающее критическую изотерму, можно получить из уравнения состояния Редлиха-Квонга [5]. Из всех известных уравнений состояния с двумя константами в математическом смысле наиболее удобно уравнение Ван-дер-Ваальса, но зато уравнение Редлиха-Квонга более точно. Особенно хорошие результаты оно дает при высоких давлениях. Следовательно, уравнение критической изотермы имеет вид где R - универсальная газовая постоянная; T_C, p_C и V_C - соответственно температура, давление и удельный объем вещества в критической точке С.

Все критические параметры лучше определять из эксперимента, однако при отсутствии некоторых из них имеются надежные методы их расчета [5]. Наиболее удобно производить вычисления по уравнению (1), когда заданы T и V, так как в этом случае p вычисляется явно.

Хотя уравнение (1) применимо как для газообразного, двухфазного и жидкого состояния вещества, но для последнего практически никогда не используется, так как имеется достаточное количество более точных методов определения p - V - T данных для жидкостей [5].

Левая ветвь LC бинодали, соответствующая меньшим удельным объемам жидкости, может быть найдена как геометрическое место точек (p_L, V_L).

Параметры в любой точке этой кривой, достаточно удаленной от точки C, чтобы выполнялось условие ρ_L≫ ρ_e при T = const, определяются следующим образом.

Вначале по приведенному уравнению Кирхгофа для заданного значения T определяется давление где T_B - нормальная температура кипения жидкости.

Далее определяется V_e как третий положительный корень транцедентного уравнения, полученного из уравнения (1) при T = const и p=p_e = const.

После этого можно определить плотность жидкости в точке L по методу Бенсона: ρ_LB - нормальная плотность жидкости;
V_e, и p_e - удельный объем и давление на правой ветви бинодали.

Следует отметить, что нормальная точка кипения является наиболее удобной опорной точкой, так как температура кипения при нормальных условиях известна гораздо чаще, чем при каких-либо других условиях. Тем не менее все уравнения, приведенные выше, могут быть отнесены и к другим температурам кипения, отличным от нормальных. Для таких веществ, как, например, ацетилен или двуокись углерода, которые сублимируют при p = 1 атм, а поэтому не имеют нормальной точки кипения, в качестве опорной температуры может быть взята температура сублимации.

Таким образом, мы получили соотношения, позволяющие при заданной температуре двухфазной струи на выходе из сопла задавать также значения p и V, при которых жидкость в процессе смешивания с газом не будет менять свое фазовое состояние и будет иметь наименьшее из всех возможных значений энергии Гельмгольца.

Из графика (фиг. 1) видно, что при нагреве воды выше 100^oC необходимо увеличивать ее давление выше атмосферного. Значительное увеличение давления сопровождается ростом потребной мощности на прокачку жидкости, что нецелесообразно экономически. Поэтому минимальное давление при заданной температуре жидкости следует искать в точке пересечения соответствующей изотермы с левой ветвью бинодали.

Использование совокупности указанных отличительных признаков, дающих положительный эффект, автору неизвестно.

На фиг. 2 приведена схема устройства, в котором реализуется заявляемый способ смешивания жидкости и газа.

Устройство смешивания жидкости и газа (далее устройство) содержит (фиг. 2) СУВД, с помощью которого выравниваются давления жидкости и газа на входе в ПЭ 22, магистраль подачи жидкости 1, магистраль подачи газа 2 и собственно ПЭ 22. В трубопроводе 1 магистрали подачи жидкости установлены запорный орган (ЗО) 3, фильтр (Ф) 4, регулировочный дроссель (РД) 5, теплообменник (Т) 6, содержащий РД 7, и обратный клапан (ОК) 31, а в трубопроводе 2 магистрали подачи газа - ЗО 9, Ф 10, регулировочный вентиль (РВ) 11 и Т 12, содержащий электроподогреватель газа (ЭПГ) 13, регулятор (Р) 29, в простейшем случае регулировочный резистор, источник тока (ИТ) 28, выключатель (ВК) 30. СУВД кроме емкости 14, в которой хранится жидкость 15 под давлением, содержит трубопровод 16, в котором установлен РВ 17, и предохранительный клапан (ПК) 18. В патрубке 19 емкости 14 установлен ЗО 20.

Распылитель содержит корпус 21, ПЭ 22 и сопло 23, которые образуют своими поверхностями входной ресивер 24 и выходной ресивер 25.

Во входном 24 и выходном 25 ресиверах установлены приемники полного давления (ППД) 39 и 41 и приемники статического давления (ПСД) 40 и 42, показания которых регистрируются манометрами (М) 37 и 38 соответственно. Имеются, кроме того, термопара 32 с датчиком температуры (ДТ) 33 и ППД 34 с дифманометром (ДМ) 35 для измерения характеристик струи 27 на выходе из сопла 23 распылителя, а также ДМ 36.

Устройство функционирует следующим образом.

Перед началом работы ЗО 3 и 9 полностью открывают, ЗО 20 герметично закрывают, а РВ 11, РВ 17 и РД 5 прикрывают. Открывают РД 7 и включают ВК 30, если необходим нагрев соответственно жидкости 15 и газа 26. Степень нагрева жидкости 15 в Т 6 обеспечивается изменением расхода теплоносителя 8 с помощью РД 7, а степень нагрева газа 26 -изменением нагрева ЭПГ 13 от ИТ 28 с помощью Р 29. Следует заметить, что не представляет технических трудностей организовать автоматическое регулирование по заданному закону или поддержание заданной температуры двухфазной струи 27 с обратной связью по измеренной температуре струи 27 при заданном законе изменения давления жидкости и расходов жидкости и газа.

Далее настраивают ПК 18 на заданное давление в Е 14, причем это давление с помощью ПК 18 и РВ 17 может поддерживаться в диапазоне от минимального давления - давления окружающей среды до максимального давления, равного начальному давлению газа 26. Так как потери полного давления в магистрали подачи газа 26 практически всегда больше потерь этого давления в магистрали подачи жидкости 15, то давление в Е 14 приходиться поддерживать несколько ниже, чем начальное давление газа 26, чтобы обеспечить практически одинаковое давление жидкости и газа на входе в ресивер 24 распылителя.

Сжатый газ 26 по трубопроводу 2 магистрали подачи газа проходит через ЗО 9, Ф 10, РВ 11 и Т 12, где подогревается с помощью ЭПГ 13 до некоторой температуры, затем поступает во входной ресивер 24. В это же время под действием давления в Е 14 жидкость 15 по трубопроводу 1 магистрали подачи жидкости через ЗО 3, Ф 4, РД 5, Т 6, где подогревается до некоторой температуры, и ОК 31 поступает также во входной ресивер 24. Для увеличения пути смешивания жидкости 15 и газа 26 в рамках заданного объема ресивера 24 струя газа 26 подается тангенциально, а струя жидкости 15 - перпендикулярно ей. Струя газа 26 захватывает струю жидкости 15, так как, например, при равенстве массовых расходов и проходных площадей жидкости и газа кинетическая энергия потока газа существенно выше кинетической энергии потока жидкости, а точнее во столько раз, во сколько раз плотность жидкости больше плотности газа. Образовавшийся двухфазный поток прежде чем попадает в ПЭ 22 совершает вокруг него несколько оборотов. При этом практически полностью выравниваются давления в жидкости и газе. Далее двухфазный поток проходит через ПЭ 22, где происходит дробление жидкости в мелких порах ПЭ 22 и выравнивание преимущественно полей концентрации и температуры и дальнейшее выравнивание поля давления под действием теплопроводности, капиллярных сил и турбулентных пульсаций скорости, давления, концентрации и температуры, а также под действием баро-, массо- и термодиффузии.

В выходном ресивере 25 завершается выравнивание преимущественно поля давления двухфазного потока.

Однако процесс смешивания жидкости 15 и газа 26 не завершается в распылителе. За пределами распылителя процесс смешивания жидкости и газа окружающей среды можно осуществить за счет выравнивания градиентов по количеству движения, температуре и концентрации. Для этого предварительно нагретый двухфазный поток ускоряют в сопле 23 с образованием двухфазной струи 27.

В процессе функционирования устройства измеряют температуру двухфазной струи 27 с помощью термопары 32 и ДТ 33 и давление потока в выходном ресивере 25 с помощью ППД 41 и М 38. Если измеренная температура не соответствует заданной, а измеренное давление не соответствует этой температуре, регулируют давление жидкости и газа с помощью ПК 18 и (или) расходы жидкости 15 и (или) газа 26 с помощью РД 5 и (или) РВ 11 соответственно, и (или) температур этих компонентов с помощью РД 7 и (или) изменением температуры ЭПГ 13 с помощью Р 29 и ИТ 28.

СУВД жидкости и газа работает следующим образом.

Газ 26 из магистрали подачи газа через РВ 17 поступает в Е 14 и заполняет ее. В Е 14 устанавливается давление, определяемое настройкой ПК 18. Если при подаче жидкости 15 давление Е 14 упадет, то под действием перепада давления между магистралью подачи газа и Е 14 газ 26 поступает в Е 14 и давление увеличивается. Если газа 26 поступает больше, чем допустимо, то давление газа в Е 14 возрастает. В этом случае откроется ПК 18 и выпустит часть газа из Е 14: давление газа в Е 14 упадет и т.д.

Были проведены экспериментальные исследования с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 2, с целью определения эффективности и качества смешивания жидкости и газа по предлагаемому способу. В качестве жидкости 15 и теплоносителя 8 в Т 6 была выбрана техническая вода, а в качестве газа 26 и окружающей газовой среды - воздух.

В процессе экспериментальных исследований измерялись во входном и выходном ресиверах локальные давления в пяти точках по объему каждого ресивера с помощью ППД 39 и ППД 41 и М 37 и М 38 соответственно, давления на стенках каждого ресивера с помощью соответственно ПСД 40 и ПСД 42 и тех же М 37 и М 38, а также перепад давления в магистрали подачи воды 15 и воздуха 26 на входе в ресивер 24 с помощью соответственно ПСД 43 и ПСД 44 и ДМ 36. Кроме того, измерялись заторможенная температура и полное давление в струе 27 на выходе из распылителя с помощью термопары 32 и ДТ 33 и ППД 34 и ДМ 35 соответственно, а также визуально определялась толщина этой струи путем фотографирования струи и обработки ее результатов.

Экспериментальные исследования показали, что устройство, в котором реализуется заявляемый способ смешивания жидкости и газа, обеспечивает мелкодисперсное распыливание воды и качественное внутреннее и внешнее смешивания воды и воздуха в широких диапазонах изменения 1 ≅ Θ ≅ 3, относительных расходов воды и воздуха 0,3 ≅ G_B/G_Ж ≅ 25, где G_В и G_Ж - массовые расходы воздуха и воды соответственно, и перепадов давления на ПЭ ΔP ≥ 10 КПа. Кроме того, было установлено, что СУВД обеспечивает выравнивание давлений воды 15 и газа 26 на входе в ПЭ 22 с погрешностью не более 1-2%. Однако на переходных режимах, когда регулируют расходы воды 15 и воздуха 26, перепад давлений на входе в ПЭ 22 достигал 5-8%, поэтому возникла необходимость в снижении этого перепада давлений. Предварительное смешивание воды 15 и воздуха 26 во входном ресивере 24 привело к тому, что перепад давления в этом случае не превышал ≈1% даже на переходных режимах. Подтверждением этого факта могут служить также экспериментальные исследования, проведенные на сверхзвуковой струе при нерасчетном режиме ее истечения (число Маха струи M_a = 1,5; степень нерасчетности n = p_a/p_H = 5, где p_a и p_H -статические давления на срезе сопла и в окружающей среде соответственно (см. [3], с. 361-369). Статическое давление на оси струи уже через 6 калибров становится практически равным давлению окружающей среды, в то время как для выравнивания скорости необходимо не менее 220-240 калибров.

На графике (фиг. 3а) приведено влияние параметра Θ = T_0m/T_H, где T_0m и T_H -температура на оси струи в начальном сечении и температура окружающей среды соответственно, на изменение относительной осевой скорости, определяемой для неизотермических затопленных струй как отношение u_m/u₀ = , где u₀ и u_m - скорости на оси струи соответственно в сечении среза сопла и в произвольном сечении вдоль траектории струи. На этом же графике представлено сопоставление с экспериментами О. В. Яковлевского и В. К. Печенкина для Θ = 1,85 [3].

На графике (фиг.3б) показано влияние параметра Θ на нарастание толщины затопленных неизотермических струй, а также приведено сопоставление с данными работы [3].

Из графика (фиг. 3а) видно, что с увеличением степени подогрева интенсивность нарастания толщины струи возрастает, а длины начального, переходного участков и дальнобойность струи () уменьшаются. Так, при = 0,2 нагрев струи 27, при котором Θ = 2, уменьшает дальнобойность струи в 1,89 раза.

Для улучшения теплообмена между компонентами, кроме того, что ПЭ 22 имеет очень большую поверхность контакта, целесообразно увеличить интенсивность теплообмена применением в качестве материала ПЭ 22 металлов. В этом случае, если частицы жидкости 15 и газа 26 с разной температурой не будут соприкасаться, а будут находиться в ПЭ 22 на некотором расстоянии, то выравнивание температуры жидкости и газа в этих точках будет происходить посредством теплопроводности через металл ПЭ 22, который играет роль посредника между ними и имеет теплопроводность на несколько порядков больше, чем теплопроводности жидкости и газа.

Были проведены прямые эксперименты, подтверждающие качество смешивания жидкости и газа. На графике (фиг. 4) показано влияние ПЭ на качество смешивания воды и воздуха. По оси ординат отложены значения измеренных температур водовоздушной струи на выходе из сопла при отсутствии ПЭ и при наличии ПЭ, отнесенные к теоретической температуре струи при тех же условиях, а по оси абсцисс отложены значения расхода воздуха, отнесенные к расходу воды. Давление в выходном ресивере было приблизительно равным p_T 1,1 атм.

Теоретическая температура водовоздушной смеси вычислялась из соотношения

где ,
с_p.В и c_p.Ж - удельные теплоемкости при постоянном давлении воздуха и воды соответственно;
Т_И, T^*_B и Т_Ж - измеренная температура струи на выходе из сопла, температура торможения воздуха и температура воды соответственно.

Из графика (фиг. 4) видно, что при наличии ПЭ происходит полное термодинамическое смешивание воды и воздуха на уровне теплоемкости, так как измеренная температура струи и теоретическая температура, подсчитанная по соотношению (4), равны и их отношение равно единице. Если же ПЭ отсутствует, то относительная измеренная температура струи оказывается больше или меньше единицы, так как отсутствует полное смешивание воды и воздуха. В этом случае измеренная температура струи близка к среднему арифметическому значению температур воды и воздуха.

В заключение отметим, что подогрев одного из компонентов вызывает в капиллярных каналах ПЭ 22 большие градиенты температуры, которые вследствие эффекта Соре [6] (Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учеб. пособие для вузов./ Под ред. акад. Б.П.Никольского, 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия. 1987. 880 с. С. 141) в конечном итоге приводят к возникновению неравномерности поля давления на выходе из ПЭ 22. По измерениям в эксперименте неравномерность поля давления на выходе из ПЭ 22 увеличивается с 1% до ≈2% при отсутствии выходного ресивера. Если же произвести выравнивание давления в двухфазном потоке на выходе из ПЭ 22 путем подачи этого потока в выходной ресивер 25, то неравномерность поля давления на срезе сопла не превышает ≈ 1%.

Были изготовлены несколько опытных образцов этого устройства и применены в качестве карбюратора для подготовки топливно-воздушной смеси в системе автоматической регенерации фильтрующего элемента сажевого фильтра, предназначенного для установки его на дизельном двигателе городского автобуса.

Длительная эксплуатация этого устройства в условиях испытательного стенда совместно с дизелем КАМАЗ-7408.10 показала его надежную работоспособность и высокую эффективность.

Формула изобретения

1. Способ смешивания жидкости и газа, в соответствии с которым потоки жидкости и газа вначале пропускают через проницаемый для жидкости и газа элемент, а затем образовавшийся двухфазный поток ускоряют путем пропускания его через сопло, отличающийся тем, что давления жидкости и газа до пропускания их через проницаемый элемент выравнивают с помощью специального устройства, содержащего емкость с жидкостью и газом под заданным давлением, запорный орган, регулировочный вентиль, предохранительный клапан, с помощью которого поддерживается заданное давление жидкости и газа в емкости путем перепускания части газа из емкости в окружающую среду, если давление жидкости и газа в емкости превышает заданное давление, трубопровод, соединяющий емкость с магистралью подачи сжатого газа, и патрубок, соединяющий емкость с окружающей средой, в патрубке установлен запорный орган, а в трубопроводе установлены предохранительный клапан и регулировочный вентиль, причем предохранительный клапан расположен между емкостью и регулировочным вентилем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление жидкости и газа дополнительно выравнивают путем подачи потоков жидкости и газа в общий ресивер и смешивания, а затем образовавшийся двухфазный поток пропускают через проницаемый элемент.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что жидкость и(или) газ предварительно подогревают за счет подвода энергии извне, в качестве материала проницаемого элемента используют металлы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют жидкость, подчиняющуюся уравнению состояния, поддерживают заданную температуру двухфазного потока на выходе из сопла меньшей или близкой к критической температуре жидкости, а заданное давление потока на выходе из проницаемого элемента одновременно поддерживают не ниже давления, которое соответствует точке пересечения заданной изотермы и левой ветви бинодали, для этого измеряют температуру этого потока на выходе из сопла, а давление потока на выходе из проницаемого элемента и, если измеренные температура и давление двухфазного потока не соответствуют заданным, регулируют давления, и(или) расходы, и(или) температуры жидкости и (или) газа.

5. Способ по п.1, или 2, или 4, отличающийся тем, что после выхода двухфазного потока из проницаемого элемента вначале выравнивают в нем преимущественно поле давления путем подачи его в ресивер, а затем поток ускоряют.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4