Способ механической обработки преимущественно каменной облицовки зданий и устройство для получения используемого в способе горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи

 

Использование: для обработки и очистки поверхностей облицовок зданий, сооружений и различных объектов в строительстве и других областях народного хозяйства. Способ механической обработки заключается в том, что при непрерывной подаче в транспортирующий поток сжатого воздуха под давлением твердые частицы рабочего вещества образуют непрерывно взвесь. Взвесь подают в рабочий орган в виде сопла-насадка, в котором на нее воздействуют вспомогательным потоком горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи. Горячее газообразное рабочее тело одновременно с передачей кинетической энергии взвешенным твердым частицам рабочего вещества производит разогрев и расширение воздуха во взвеси. За счет превышения температуры газообразного рабочего тела относительно взвеси скорость и давление в сопле-насадке увеличивается в сотни раз и инициирует сверхзвуковую скорость истечения воздействующих на каменную облицовку зданий. Устройство для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи состоит из корпуса, в котором размещены камера сгорания, форкамера и концентрично расположенные основной и вспомогательный завихрители потока воздуха, форсунка и гомогенизатор топливо-воздушной смеси. Корпус расположен в охватывающем его кожухе, образующем охлаждающую полость. На выходном конце корпуса установлено сменное сопло, образованное из конфузора и диффузора. Охлаждающая полость кожуха связана через завихритель с источником сжатого воздуха и сообщается с камерой сгорания. Зажигание жидкого топлива обеспечивается электроискровым разрядом, инициируемым электродами запальной свечи. Технический результат - повышение скорости поверхности при одновременном снижении расхода рабочего вещества и обеспечение возможности регулирования в широких пределах скорости обработки поверхности и расхода рабочего вещества. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано для обработки и очистки поверхностей облицовок зданий, сооружений и различных объектов в строительстве и других областях народного хозяйства.

Известен (авт. св. СССР N477831, кл. В 24 С 5/04, 1975 г.) способ динамической обработки поверхности, включающий первоначальное расширение сжатого воздуха, разгон его до сверхзвуковой скорости и непрерывную подачу в сверхзвуковой поток воздуха под давлением твердых частиц рабочего вещества с образованием их взвеси в воздухе, ее ускорение и воздействие ею на обрабатываемую поверхность.

Недостатком известного способа является низкая кинетическая энергия твердых частиц рабочего вещества, что снижает производительность труда и качество обработки поверхности и обуславливает быстрый износ используемых узлов применяемого оборудования.

Наиболее близкими по своей технической сущности к предложенному способу механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий является известный (патент Российской Федерации N 2137593, кл. В 24 С 1/00) способ механической обработки поверхности, включающий непрерывную подачу под давлением твердых частиц рабочего вещества в транспортирующий поток сжатого воздуха с образованием взвеси, подачу ее в рабочий орган, разгон ее в нем воздействием вспомогательного потока газообразного рабочего тела, скорость истечения и давление которого превышают скорость истечения и давление разгоняемой им взвеси, и динамическое силовое воздействие твердыми частицами рабочего вещества на обрабатываемую поверхность.

Наиболее близким по своей технической сущности к предложенному устройству для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи является известное (авт. св. СССР N309205, кл. F 23 D 11/10, 1967 г. ) устройство для сжигания жидкого топлива, содержащее корпус в виде замкнутой цилиндрической обечайки, внутри которой размещена камера сгорания с форкамерой, концентрично расположенные завихрители потока воздуха и форсунка, подключенные соответственно к источнику сжатого воздуха и топливопроводу, и гомогенизатор топливо-воздушной смеси.

Недостатками известного способа механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий являются большой расход рабочего вещества и недостаточная скорость обработки поверхности, что особенно важно при большой величине обрабатываемой поверхности.

Задачей изобретения является повышение скорости обработки поверхности при одновременном снижении расхода рабочего вещества, а также обеспечение возможности регулировать в широких пределах скорость обработки поверхности и расход рабочего вещества.

Поставленная задача решается тем, что в предложенном способе механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий, включающем непрерывную подачу под давлением твердых частиц рабочего вещества в транспортирующий поток сжатого воздуха с образованием взвеси, подачу ее в рабочий орган, разгон ее в нем воздействием вспомогательного потока газообразного рабочего тела, имеющего скорость истечения и давление, превышающие скорость истечения и давление разгоняемой им взвеси, и динамическое силовое воздействие твердыми частицами рабочего вещества на обрабатываемую поверхность, размер твердых частиц рабочего вещества составляет 0,01 - 20,0 мм в поперечнике, причем в качестве вспомогательного потока газообразного рабочего тела используют сверхзвуковую струю горячих газов, которая одновременно с передачей кинетической энергии взвешенным твердым частицам рабочего вещества производит разогрев и расширение воздуха во взвеси за счет перемешивания ее со сверхзвуковой струей горячих отходящих газообразных продуктов сгорания, температура которых превышает температуру воздуха во взвеси на 350-900^oC, при этом скорость и давление сверхзвуковой струи отходящих газообразных продуктов сгорания, взаимодействующих со взвесью твердых частиц рабочего вещества, превышают аналогичные параметры последней соответственно в 500-1100 и 75-125 раз, а в устройство для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи, содержащее корпус, внутри которого размещена камера сгорания с форкамерой, концентрично расположенные завихрители потока воздуха и форсунку, подключенные соответственно к источнику сжатого воздуха и топливопроводу, и гомогенизатор топливо-воздушной смеси, снабжено охватывающим корпус и образующим охлаждающую полость кожухом и установленным на выходном конце корпуса сменным соплом, в виде сопряженной криволинейной поверхностью конфузора и диффузора, причем диаметр d_кр критического сечения сменного сопла меньше диаметра d поперечного сечения камеры сгорания в 1,2-2,5 раза, причем охлаждающая полость соединена через вспомогательный завихритель с источником сжатого воздуха и сообщается с камерой сгорания через образованные в корпусе радиальные отверстия, при этом диаметр d₁ внутренней поверхности кожуха превышает диаметр d поверхности камеры сгорания в 1,2-1,7 раза, угол эакрытия β конфузора меньше угла раскрытия α диффузора сменного сопла в 1,2 - 3,5 раза, а радиус R кривизны поверхности сопряжения конфузора и диффузора равен 0,5 - 2,5 диаметра d_кр критического сечения сменного сопла.

Кроме того, в способе механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий твердость частиц рабочего вещества может быть равна 5,5 - 12,5 HRC, а в качестве твердых частиц рабочего вещества может быть использован шлак цветной металлургии.

При использовании совокупности существенных признаков, характеризующих заявленные способ и устройство, достигается технический результат, заключающийся в обеспечении ступенчатого разгона твердых частиц рабочего вещества, а в сопле-насадке технологической установки, осуществляющей предложенный способ, позволяет обеспечить резкое повышение давления за счет разогрева и расширения воздуха, в котором взвешены частицы рабочего вещества, смешивающегося со вспомогательным потоком рабочего тела в виде сверхзвуковой струи отходящих газообразных продуктов сгорания, получаемых при сжигании топлива, что обуславливает резкое повышение кинетической энергии твердых частиц рабочего вещества, выбрасываемых на обрабатываемую поверхность.

Существо способа механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий заключается в том, что непрерывно подавая в транспортирующем потоке сжатого воздуха взвешенные в нем твердые частицы рабочего вещества размером 0,01 - 20,0 мм в поперечнике в рабочий орган в виде сопла-насадка, разгоняют их в нем воздействием вспомогательного потока горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи, которая одновременно с передачей кинетической энергии взвешенным твердым частицам рабочего вещества производит разогрев и расширение воздуха взвеси за счет превышения температуры газообразного рабочего тела относительно температуры транспортирующего потока на 350 - 900^oC, при этом скорость и давление сверхзвуковой струи отходящих газообразных продуктов сгорания, взаимодействующих с транспортирующим взвесь твердых частиц рабочего вещества потоком сжатого воздуха, превышают аналогичные параметры последнего соответственно в 500-1100 и 75-125 раз.

Техническая сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен рабочий орган в виде сопла - насадка технологической установки, используемой для осуществления способа механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий; на фиг.2 - общий вид устройства для получения сверхзвуковой струи горячих газов в разрезе; на фиг.3 - в увеличенном масштабе показана передняя часть устройства для получения сверхзвуковой струи горячих газов с форсункой и завихрителями.

Способ механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий реализуется следующим образом.

Пример 1. Перед началом работы установки (на чертежах условно не показана) в ее бункер засыпают твердые частицы рабочего вещества размером 3-5 мм в поперечнике и твердостью 8-9 HRC. Затем после включения источника сжатого воздуха для непрерывного образования в трубопроводе 1, соединенном с рабочим органом в виде сопла-насадка 2, взвеси в него одновременно подают из бункера под давлением вышеуказанные твердые частицы рабочего вещества и транспортирующий поток сжатого воздуха, имеющий давление, равное 6 бар, в количестве 8,5 м³/мин, которые взаимодействуют между собой. Полученная взвесь непрерывно поступает со скоростью 0,75 м/сек под давлением в пределах 1,75 МПа в рабочий орган в виде сопла-насадка 2. В полости сопла-насадка 2 поступившая в его рабочую полость 3 взвесь подвергается воздействию сверхзвуковой струи, образованной вспомогательным потоком горячего газообразного рабочего тела, который истекает из сменного сопла устройства для получения потока газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи горячих газов. Сверхзвуковая струя горячего газообразного рабочего тела одновременно с передачей кинетической энергии взвеси производит разогрев и расширение воздуха в ней за счет превышения температуры газообразного рабочего тела над температурой взвеси на 400^oC. Задав такое соотношение температур взаимодействующих между собой взвеси и горячего газообразного рабочего тела и превышение скорости и давления последнего над скоростью и давлением взвеси, соответственно, в 700 и 90 раз, обеспечивают величину кинетической энергии твердых частиц рабочего вещества, выбрасываемых из сопла-насадка 2, необходимую для обработки каменной облицовки здания со скоростью 3,5 м²/мин и расходе твердых частиц рабочего вещества до 8 кг/м² очищаемой поверхности каменной облицовки.

Пример 2. Перед началом работы установки (на чертежах условно не показана) в ее бункер засыпают твердые частицы шлака цветной металлургии размером 8-15 мм в поперечнике и твердостью 9-10 HRC. Затем, после включения источника сжатого воздуха для непрерывного образования в трубопроводе 1, соединенном с рабочим органом в виде сопла-насадка 2, взвеси, в него одновременно подают из бункера под давлением вышеуказанные твердые частицы и транспортирующий поток сжатого воздуха, имеющий давление, равное 10 бар, в количестве 9,5 м³/мин, которые взаимодействуют между собой. Полученная взвесь непрерывно поступает со скоростью 0,95 м/сек под давлением в пределах 2,5 МПа в рабочий орган в виде сопла-насадка 2. В полости сопла-насадка 2 поступившая в его рабочую полость 3 взвесь подвергается воздействию сверхзвуковой струи, образованной вспомогательным потоком горячего газообразного рабочего тела, который истекает из сменного сопла устройства для получения потока газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи. Сверхзвуковая струя горячего газообразного рабочего тела одновременно с передачей кинетической энергии взвеси производит разогрев и расширение воздуха в ней за счет превышения температуры газообразного рабочего тела над температурой взвеси на 600^oC. Задав такой перепад температур взаимодействующих между собой взвеси и горячего газообразного рабочего тела и превышение скорости и давления последнего над скоростью и давлением взвеси, соответственно, в 1000 и 100 раз обеспечивают величину кинетической энергии твердых частиц шлака цветной металлургии, выбрасываемых из сопла-насадка 2, необходимую для обработки со скоростью 4,5 м²/мин каменной облицовки здания и расходе твердых частиц шлака цветной металлургии до 10 кг/м² очищаемой поверхности каменной облицовки.

Устройство для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи состоит из цилиндрического корпуса 4 с расположенными в нем камерой 5 сгорания, форкамерой 6 и концентрично расположенными основным 7 и вспомогательным 8 завихрителями потока воздуха и форсунки 9, подключенных, соответственно, к источнику сжатого воздуха (на чертежах условно не показанного) и топливопроводу 10, и гомогенизатором 11 топливо-воздушной смеси. Корпус 4 расположен концентрично в охватывающем его кожухе 12, который образовывает охлаждающую полость 13. На выходном конце корпуса 4 установлено сменное сопло 14, которое образовано сопряженными криволинейной поверхностью конфузора 15 и диффузора 16, радиус r критического сечения которого меньше диаметра d поперечного сечения корпуса 4 в 1,2-2,5 раза. Охлаждающая полость 13 кожуха 12 связана через вспомогательный 8 завихритель с источником сжатого воздуха и сообщается с камерой 5 сгорания через образованные на поверхности корпуса 4 радиальные отверстия 17. Внутренний диаметр d₁ кожуха 12 превышает диаметр d корпуса 4 в 1,2-1,7 раза, а угол закрытия β конфузора 15 и раскрытия α диффузора 16 сменного сопла 14 составляют соответственно 10-25^o и 15-30^o, причем радиус R поверхности сопряжения конфузора 15 и диффузора 16 равен 0,5-2,5 диаметра d_кр критического сечения сменного сопла 14. Зажигание топлива обеспечивается электроискровым разрядом, инициируемым электродами запальной свечи 18.

Работает устройство для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи следующим образом. Из топливной емкости и источника сжатого воздуха (на чертежах условно не показано) подают топливо, например, жидкое углеводородное топливо, и сжатый воздух в форсунку 9, причем количество подаваемого топлива регулируется давлением сжатого воздуха в топливной емкости. Поступающий в форсунку сжатый воздух, проходя через основной завихритель 7, закручивается и смешивается с топливом, поступающим с большой скоростью из форсунки 9, и образует с ним топливо-воздушную смесь, которая, проходя через гомонизатор 11 в форкамеру 6, гомогенизируется, т.е. приобретает однородность состава. В форкамере 6 гомогенизированная топливо-воздушная смесь зажигается посредством искрового электрического разряда, инициируемого на электродах электрозапальной свечи 19. Одновременно с подачей сжатого воздуха через основной эавихритель 7 он также проходит через вспомогательный завихритель 8 в образованную кожухом 13 охлаждающую полость 14, из которой через радиальные отверстия 17 в корпусе 4 - в камеру 5 сгорания. Образующиеся в камере 5 сгорания продукты сгорания жидкого топлива, смешиваясь со сжатым воздухом, поступившим из охлаждающей полости 13, нагревают, при этом последний, что обуславливает его расширение, т.е. резкое повышение давления в камере 5 сгорания. Благодаря повышенному давлению в камере 5 сгорания горячие газы на выходе из сменного сопла образуют сверхзвуковую струю, воздействующую на взвесь в полости 3 сопла-насадка 2.

Заявленный способ механической обработки, преимущественно, каменной облицовки зданий и устройство для получения горячего газообразного рабочего в виде сверхзвуковой струи, использующее энергию горения топлива, позволяет очищать поверхности со скоростью 3 - 5 м²/мин при расходе твердых частиц рабочего вещества до 10 кг/м² очищаемой поверхности, в то время как производительность известных установок не превышает 0,03 м²/мин при расходе твердых частиц рабочего вещества около 30 кг/м². Преимущество заявленного заключается в возможности регулировать в широких пределах производительность работы и расход твердых частиц рабочего вещества.

Формула изобретения

1. Способ механической обработки преимущественно каменной облицовки зданий, включающий непрерывную подачу под давлением твердых частиц рабочего вещества в транспортирующий поток сжатого воздуха с образованием взвеси, подачу ее в рабочий орган, разгон ее в нем воздействием вспомогательного потока газообразного рабочего тела, имеющего скорость истечения и давление, превышающие скорость истечения и давление разгоняемой им взвеси, и динамическое силовое воздействие твердыми частицами рабочего вещества на обрабатываемую поверхность, отличающийся тем, что размер твердых частиц рабочего вещества составляет 0,01 - 20,0 мм в поперечнике, а в качестве вспомогательного потока газообразного рабочего тела используют сверхзвуковую струю горячих отходящих газообразных продуктов сгорания, которая одновременно с передачей кинетической энергии взвешенным твердым частицам рабочего вещества производит разогрев и расширение воздуха во взвеси за счет перемешивания ее со сверхзвуковой струей горячих отходящих газообразных продуктов сгорания, температура которых превышает температуру воздуха во взвеси на 350 - 900^oC, при этом скорость и давление сверхзвуковой струи отходящих газообразных продуктов сгорания, взаимодействующей со взвесью твердых частиц рабочего вещества, превышают аналогичные параметры последней соответственно в 500 - 1100 и 75 - 125 раз.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердость частиц рабочего вещества равна 7,5 - 12,5 HRC.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве твердых частиц рабочего вещества используют шлак цветной металлургии.

4. Устройство для получения горячего газообразного рабочего тела в виде сверхзвуковой струи, содержащее корпус, внутри которого размещена камера сгорания с форкамерой, концентрично расположенные завихрители потока воздуха и форсунку, подключенные соответственно к источнику сжатого воздуха и топливопроводу, и гомогенизатор топливовоздушной смеси, отличающееся тем, что оно снабжено охватывающим корпус и образующим охлаждающую полость кожухом и установленным на выходном конце корпуса сменным соплом в виде сопряженных криволинейной поверхностью конфузора и диффузора, причем диаметр d_кр критического сечения сменного сопла меньше диаметра d поперечного сечения камеры сгорания в 1,2 - 2,5 раза, причем охлаждающая полость соединена через вспомогательный завихритель с источником сжатого воздуха и сообщается с камерой сгорания через образованные в корпусе радиальные отверстия, при этом диаметр d₁ внутренней поверхности кожуха превышает диаметр d поверхности камеры сгорания в 1,2 - 1,7 раза, а угол закрытия β конфузора меньше угла раскрытия α диффузора сменного сопла в 1,2 - 3,5 раза, а радиус R кривизны поверхности сопряжения конфузора и диффузора равен 0,5 - 2,5 диаметра d_кр критического сечения сменного сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3