Распыление текучих сред путем взаимного соударения потоков текучих сред
Настоящее изобретение относится к области распыления одной или нескольких текучих сред. Раскрыты разные варианты осуществления изобретения, в которых один или несколько потоков текучей среды протекают таким образом, что происходит соударение потока (потоков) текучей среды, что обеспечивает распыление текучей среды. Раскрыты разные устройства и способы распыления, причем, по меньшей мере, некоторые из них обеспечивают большой диапазон между максимальным и минимальным количеством распыляемой текучей среды. Потоки текучей среды могут перед распылением иметь поперечное сечение порядка, например, 0,1 мм, а результирующие капли после распыления могут иметь поперечное сечение порядка 0,01 мм. Указанные способ и распылительная насадка могут быть использованы в системе смешивания жидкой мочевины или жидкости, которая может реагировать подобно мочевине с NOx для обеспечения избирательного каталитического восстановления с выхлопными газами из двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины. Техническим результатом изобретения является повышение надежности распыления текучей среды в случае, если одна распылительная насадка забьется, а также уменьшение риска затвердевания в выпускных отверстиях. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 9 ил.
Настоящее изобретение относится к распылению текучих сред и, в частности, к распылению текучих сред, подаваемых из распылительной насадки.
Предпосылки изобретения
Распыление текучих сред осуществляется, например, путем смешивания текучей среды, которую необходимо распылить, с газом. Использование газа для распыления неизбежно приводит к попаданию этого газа в поток распыленной текучей среды, и во многих практических случаях применения такая смесь является крайне нежелательной. В связи с одним из аспектов этого изобретения, относящимся к распылению мочевины, распыление раньше осуществляли с помощью воздуха под давлением. В этой связи установлено, что присутствие воздуха будет инициировать рост кристаллов, которые обычно будут блокировать проходы для потока. Еще одним недостатком является большое потребление воздуха.
Краткое описание изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача распылять одну или несколько текучих сред, предпочтительно жидкостей, в виде одного или нескольких потоков текучей среды. Поставленная задача решается разными аспектами и предпочтительными вариантами осуществления изобретения, в соответствии с которыми один или несколько потоков текучей среды протекают таким образом, что происходит соударение потока (потоков) текучей среды, обеспечивающее распыление текучей среды. Термин "распыление" предпочтительно означает, что потоки текучей среды разбиваются на меньшие частицы, такие, как капли. Перед соударением потоки текучей среды могут иметь поперечное сечение порядка, например, 0,1 мм, а результирующие капли после соударения потоков текучей среды могут иметь поперечное сечение порядка 0,01 мм. Впрочем, в объеме настоящего изобретения возможны как большие, так и меньшие значения описанных размеров.
Термин "текучая среда" предпочтительно означает жидкость или газ. Однако варианты осуществления настоящего изобретения можно использовать и для разбиения твердых частиц на частицы меньших размеров. Для этих вариантов осуществления термин "поток текучей среды" можно толковать как включающий значение "поток твердых частиц", которые необходимо разбить на частицы меньших размеров.
Настоящее изобретение относится, в первом аспекте, к способу распыления одной или нескольких текучих сред, причем по этому способу текучую среду (текучие среды) под давлением направляют через одно или несколько выпускных отверстий, каждое из которых ориентировано таким образом, что потоки текучей среды, которые выпускают из одного или нескольких выпускных отверстий, соударяются на определенном расстоянии от одного или нескольких выпускных отверстий, обеспечивая распыление текучей среды. Следует отметить, что этот термин охватывает также выпускное отверстие, с помощью которого создают поток текучей среды, который является коническим по форме и сужается в направлении потока с таким расчетом, чтобы поток, который выпускают из выпускного отверстия, соударялся.
Предпочтительно, одно или несколько выпускных отверстий соединены с системой потока, которая содержит один или несколько отсечных клапанов.
Текучую среду предпочтительно пропускают через одно или несколько выпускных отверстий в повторно-кратковременном, пульсирующем, непрерывном режиме или с сочетанием этих режимов. При этом преимущество заключается в том, что количество распыляемой текучей среды можно легко регулировать.
В одном предпочтительном варианте осуществления повторно-кратковременное и(или) пульсирующее направление текучей среды через одно или несколько выпускных отверстий обеспечивают путем открытия и закрытия одного или нескольких отсечных клапанов.
Текучую среду предпочтительно направляют через одно или несколько выпускных отверстий синхронно, поскольку таким образом могут обеспечивать соударения и, тем самым, распыление.
Предпочтительно, соударяющиеся потоки текучей среды имеют практически одинаковую кинетическую энергию, поскольку это может обеспечить струю распыленной текучей среды, не являющуюся несимметричной. В дополнение к этому или в сочетании с этим соударяющиеся потоки текучей среды предпочтительно имеют одинаковые массовый расход и скорость.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, два потока текучей среды, которые выпускают из одного или нескольких выпускных отверстий, протекают в одной плоскости. Это может обеспечить эффективное распыление, поскольку потоки текучей среды соударяются по центру.
По предлагаемому способу текучую среду под давлением могут предпочтительно избирательно направлять через некоторые или все выпускные отверстия из нескольких выпускных отверстий, например, через четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять или больше выпускных отверстий таким образом, чтобы изменять количество распыленной текучей среды путем направления текучей среды через некоторые или все выпускные отверстия. Таким образом количество распыленной текучей среды можно регулировать.
Одно или несколько выпускных отверстий предпочтительно размещают таким образом, что обеспечивают, по меньшей мере, две струи распыленной текучей среды. Эти, по меньшей мере, две струи распыленной текучей среды предпочтительно создают ориентацией выпускных отверстий таким образом, что они проходят в направлениях, которые либо параллельны, либо пересекаются.
В одном конкретном предпочтительном варианте осуществления изобретения распыление осуществляют в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, предпочтительно дизеля или газовой турбины, и в этом случае текучей средой, которую необходимо распылять, является предпочтительно мочевина.
Распыление мочевины приводит к лучшему смешиванию мочевины с выхлопными газами, чем в случае, если мочевина подается в других формах, например потоком или крупными каплями. Распыление означает, что химическую реакцию между мочевиной и газами NOx можно улучшить, и тем самым можно уменьшить выбросы газов NOx в окружающую среду.
Первый аспект изобретения предпочтительно осуществляют с помощью одной или нескольких распылительных насадок в соответствии со вторым аспектом изобретения.
Настоящее изобретение относится, во втором аспекте, к распылительной насадке для распыления одного или нескольких потоков текучей среды, причем указанная распылительная насадка содержит впускное отверстие и одно или несколько выпускных отверстий, причем указанные одно или несколько выпускных отверстий размещены таким образом, что поток (потоки) текучей среды, выходящий (выходящие) из одного или нескольких выпускных отверстий, соударяются. Следует отметить, что этот термин охватывает также выпускное отверстие, создающее поток текучей среды, который является коническим по форме и сужается в направлении потока с таким расчетом, чтобы потоки, вытекающие из выпускных отверстий, соударялись. Потоки текучей среды могут подаваться из одной или нескольких линий текучей среды, и одна или несколько текучих сред могут быть под давлением. Дополнительной целью соударения потоков текучей среды может быть их смешивание во время распыления или после него.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления распылительная насадка может содержать по меньшей мере два выпускных отверстия, размещенные таким образом, чтобы потоки текучей среды, выходящие из одного или нескольких выпускных отверстий, соударялись с потоками текучей среды, выходящими из других выпускных отверстий. Альтернативно распылительная насадка может содержать, по меньшей мере, три, например, по меньшей мере, четыре, например, по меньшей мере, пять, например, по меньшей мере, шесть выпускных отверстий.
Все выпускные отверстия предпочтительно соединяются с впускным отверстием промежуточными каналами потока, разделяющими и направляющими текучую среду, поступающую в распылительную насадку, в выпускные отверстия. Предпочтительно, промежуточные каналы потока разделяют и направляют текучую среду в выпускные отверстия практически равномерно.
Поперечные сечения каналов потока могут иметь любую форму, например круглую или квадратную. Кроме того, поперечное сечение может быть одинаковым вдоль всего пути потока или может изменяться по форме и(или) размеру. Поперечное сечение каналов потока может предусматриваться таким, чтобы создавать нарастание давления текучей среды, имея большую общую площадь поперечного сечения на впуске распылительной насадки, чем на выпускном конце.
Выпускные отверстия предпочтительно размещены таким образом, что потоки текучей среды, выходящие, по меньшей мере, из двух выпускных отверстий, соударяются под углом 30-100°, например 70-95°, предпочтительно, 90°. Впрочем, в объеме изобретения возможны все углы, обеспечивающие соударение потоков текучей среды. Эти углы могут быть одинаковыми для всех выпускных каналов потока распылительной насадки; впрочем, выпускные каналы потока могут также размещаться таким образом, что некоторые потоки текучей среды будут соударяться под одним углом, а другие будут соударяться, по меньшей мере, под еще одним углом. Кроме того, эти углы могут быть постоянными или переменными, причем переменный угол устанавливается, например, с помощью средства закрытия, предусмотренного в распылительной насадке, которым некоторые выпускные каналы потока можно блокировать.
Одно или несколько выпускных отверстий предпочтительно выполнены на конце отверстия, которое образует выпускной канал потока, сообщающийся по текучей среде с впускным отверстием. Эти выпускные каналы предпочтительно соединены с впускным отверстием промежуточными каналами потока или с полостью распылительной насадки, причем эта полость сообщается по текучей среде с впускным каналом.
Предпочтительно, площадь поперечного сечения потоков текучей среды, выходящих из выпускных отверстий, находится в пределах 0,005-0,05 мм2, например в пределах 0,01-0,03 мм2, предпочтительно составляет 0,02 мм2.
В одном предпочтительном варианте осуществления распылительная насадка содержит, по меньшей мере, четыре выпускных отверстий, два из которых размещены таким образом, что текучая среда, выходящая из них, соударяется под первым углом, а два других выпускных отверстия размещены таким образом, что текучая среда, выходящая из них, соударяется под вторым углом, причем первый и второй углы отличаются. Впрочем, распылительная насадка может содержать любое количество выпускных каналов потока, размещенных таким образом, что потоки текучей среды, выходящие из них, соударяются попарно или группами по три или более под любым количеством углов.
В другом предпочтительном варианте осуществления одно или несколько выпускных отверстий представляет (представляют) собой прорезь, выполненную таким образом, что текучая среда, которая будет выходить из распылительной насадки, будет выходить потоком текучей среды, имеющим коническую форму, суживающуюся в направлении потока. Эта прорезь может быть выполнена как коническое отверстие с размещенным в отверстии соответствующим коническим элементом. Конический элемент может устанавливаться с возможностью регулирования таким образом, что продольное положение этого элемента можно регулировать, и при этом можно регулировать размер прорези. Это делает возможным регулирование количества текучей среды, выходящей из распылительной насадки. Кроме того, этот элемент может содержать дополнительные выпускные каналы потока.
Предпочтительно, предлагаемая распылительная насадка может содержать фильтровальные и(или) нагревательные средства. Эти средства могут использоваться для фильтрования и(или) нагревания одной или нескольких текучих сред, направляемых через распылительную насадку.
Кроме того, предлагаемая распылительная насадка может содержать одно или несколько клапанных средств. Эти клапанные средства могут предназначаться для перекрытия потока через одно или несколько выпускных отверстий с целью регулирования количества распыляемой текучей среды и(или) полного перекрытия потока через распылительную насадку. Таким образом можно обеспечить пульсирующий и(или) повторно-кратковременный поток через распылительную насадку.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается система для смешивания жидкой мочевины с выхлопными газами из двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины. В варианте осуществления в соответствии с этим аспектом мочевина добавляется к выхлопным газам и распыляется с ними с помощью распылительной насадки, описанной выше.
В одном варианте осуществления изобретения распылительная насадка может размещаться в центре трубы выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины. В другом варианте осуществления несколько распылительных насадок могут распределяться по окружности на стенке трубы выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины. Одна или несколько распылительных насадок могут размещаться таким образом, чтобы подавать распыленную текучую среду в направлении потока выхлопных газов или в любом другом направлении, например перпендикулярно направлению потока выхлопных газов. В объеме изобретения одна или несколько распылительных насадок могут размещаться в любом положении относительно трубы выхлопной системы.
Краткое описание графического материала
Далее приводится подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
фиг.1 представляет собой схематическое изображение общего принципа распыления текучей среды путем соударения двух потоков текучей среды;
фиг.2 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления, в котором два соударяющиеся потока текучей среды подаются двумя отдельными распылительными насадками;
фиг.3 представляет собой схематическое поперечное сечение одного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором два соударяющиеся потока текучей среды подаются одной распылительной насадкой;
на фиг.4а и b схематически представлены два соударяющиеся потока текучей среды в условиях повторно-кратковременного потока;
фиг.5 представляет собой схематическое изображение еще одного варианта осуществления, в котором текучая среда протекает через более чем два канала;
на фиг.6 представлены разные возможные положения выпускных отверстий каналов потока на выпускном конце распылительной насадки. Это вид с выпускного конца распылительных насадок в соответствии с разными вариантами осуществления изобретения;
фиг.7 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления, в котором потоки текучей среды соударяются на разных расстояниях от выпускной торцевой поверхности распылительной насадки;
фиг.8 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления, в котором выпускное отверстие выполнено как кольцеобразная прорезь;
фиг.9 иллюстрирует одно возможное применение изобретения, а именно: для распыления мочевины, добавляемой в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение общего принципа распыления текучей среды путем соударения двух потоков текучей среды. В соответствии с общим принципом текучая среда разделяется на несколько потоков (в примере, показанном на фиг.1, на два потока), каждому из которых придается кинетическая энергия. Количество кинетической энергии, придаваемой потокам, таково, что когда потоки соударяются в условиях, в которых будут существовать практически противоположно направленные составляющие скорости потоков, потоки будут разбиваться в струю, имеющую мелкий размер капель, показанных на фигуре точками. В этом контексте это называется распылением. Для процесса распыления важно, чтобы каждый поток "попадал" в каждый другой поток по центру, например в примере на фиг.1, чтобы два потока текучей среды были в одной плоскости, чтобы можно было обеспечить как можно лучшее распыление. Кроме того, для обеспечения струи, которая не является несимметричной, должен присутствовать баланс между массовым расходом и скоростью потоков.
Величина противоположно направленных составляющих скорости зависит среди прочих факторов от угла между потоками текучей среды. Если этот угол мал, скажем 60°, распыление потока текучей среды меньше, и результирующая струя будет иметь практически скорость в направлении суммы векторов скоростей потоков текучей среды. Если этот угол велик, скажем 120°, маленькие капельки отбрасываются в направления потока текучей среды, как показано на фиг.1. В случае, если потоки текучей среды обеспечивают распылительной насадкой, отбрасывание капелек назад может привести к осаждению текучей среды в виде пленки и(или) капель текучей среды.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение сценария, раскрытого на фиг.1, в котором два соударяющихся потока текучей среды подаются двумя отдельными, но подобными, например идентичными, распылительными насадками 1. Текучая среда в эти две распылительные насадки подается из одного источника под давлением (не показанного), благодаря чему легче гарантировать, что две распылительные насадки 1 будут обеспечивать потоки текучей среды, имеющие подобный, например, одинаковый массовый расход с подобной, например, одинаковой скоростью.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение общего принципа распыления текучей среды путем направления потока текучей среды по двум каналам, выполненным такими, что выходящие потоки текучей среды соударяются, и при этом текучая среда распыляется. Текучая среда показана подаваемой из одной линии текучей среды, которая обычно находится под давлением. Впрочем, это изобретение можно использовать и для распыления и одновременного смешивания двух или более разных текучих сред, подаваемых в распылительную насадку из разных источников текучих сред.
Как показано на фиг.3, распылительная насадка 1 содержит впускной канал 2, через который в распылительную насадку 1 подается текучая среда, которую необходимо распылить. Впускной канал 2 разветвляется в точке а на фиг.3 на два промежуточных канала потока 3a и 3b, проводящих текучую среду в два дальних выпускных канала потока 4а и 4b. Каналы 2, 3 и 4 представляют собой каналы потока, образующие путь потока из впускного отверстия 5 распылительной насадки 1 к выпускным отверстиям 6а и 6b распылительной насадки. Как показано на фиг.3, выпускные каналы потока 4а и 4b представляют собой продолжение промежуточных каналов потока 3a и 3b. Выпускные каналы потока 4а и 4b в соответствии с настоящим изобретением образуются как каналы потока, обеспечивающие направление потоков текучей среды таким образом, чтобы они соударялись.
Как уже отмечалось выше, для обеспечения струи, не являющейся несимметричной, должен существовать баланс между двумя потоками текучей среды. Для того чтобы обеспечить это в вариантах осуществления, подобных показанному на фиг.3, сопротивление потоку между точкой разветвления а и выпускными отверстиями 6а и 6b и их размер для двух путей текучей среды выполнены одинаково большими. Благодаря этому массовый расход и скорость для двух потоков текучей среды станут подобными, например одинаковыми.
На фиг.3 текучая среда, выходящая из выпускных отверстий 6а и 6b, показана тонкими линиями, и, как показано, текучая среда соударяется на определенном расстоянии от распылительной насадки, и это соударение приводит к распылению, как показано веерообразным точечным облаком, большей частью проходящим в направлении потока.
Поперечные сечения каналов потока в распылительной насадке могут иметь любую форму, которая может быть связанной с фактическим технологическим процессом изготовления распылительной насадки. Поперечное сечение предпочтительно является круглым, а размеры, упоминаемые ниже, относятся к диаметру поперечного сечения. Для других форм размеры относятся к характеристическому размеру, скажем длина стороны квадрата квадратного поперечного сечения.
Размеры каналов потока 2, 3 и 4 выбираются в соответствии с фактическим назначением распылительной насадки и, соответственно, с количеством текучей среды, которую необходимо распылять. В типичном варианте осуществления поперечные сечения каналов являются круглыми с диаметром порядка 0,1 мм.
Однако количество текучей среды, выходящей из распылительной насадки, будет в значительной степени определяться размером выпускных отверстий 6а и 6b и перепадом давления в выпускных отверстиях 6а и 6b. Поэтому предусмотрено, что каналы потока 2, 3 и 4 могут иметь большее поперечное сечение, чем выпускной канал, и обеспечивать количество распыляемой текучей среды, которое будет определяться перепадом давления в выпускных отверстиях 6а и 6b и их площадью поперечного сечения.
Соударяющиеся потоки текучей среды должны, как уже отмечалось, иметь достаточную для распыления кинетическую энергию. В некоторых случаях применения распыляемый массовый расход типично будет колебаться в пределах, по меньшей мере, порядка величины, т.е. минимальный массовый расход может составлять 1% от максимального массового расхода. При малом массовом расходе кинетическая энергия может быть настолько малой, что распыление не произойдет вообще или произойдет лишь в очень малой степени. В частности, в случае, если в распылительную насадку беспрерывно будет подаваться поток с массовым расходом 1% от максимального массового расхода, количество энергии на единицу массы, присутствующей в потоках текучей среды, будет меньше 0,01% от количества энергии, присутствующей в потоках текучей среды при максимальном массовом расходе. Этого малого количества энергии не будет хватать для распыления текучей среды. Изобретение решает эту проблему путем обеспечения синхронных потоков текучей среды с большой скоростью лишь повторно-кратковременно (см. фиг.4). В этих случаях может оказаться недостаточным, что сопротивление потока между точкой разветвления а и выпускными отверстиями 6а и 6b и их размер для двух путей потока выполнены одинаково большими. Для того чтобы предотвратить образование больших капель в начале и в конце импульса потока текучей среды, необходимо также обеспечить, чтобы масса ветвей текучей среды, находящейся между точкой разветвления а и выпускными отверстиями 6а и 6b (см. фиг.3), была подобной, например идентичной. Если нет, то одна из ветвей текучей среды может ускоряться и замедляться быстрее, чем другая (другие), и при этом может возникнуть ситуация, показанная на фиг.4b, в которой в один конец ветви текучей среды другая ветвь текучей среды не попадает.
В некоторых вариантах осуществления одна или несколько предлагаемых распылительных насадок соединена или соединены с источником текучей среды под давлением через клапан, обычно клапан с электромагнитным управлением. Альтернативно этот клапан встроен в распылительную насадку. Путь потока между источником и выпускными отверстиями распылительной насадки (распылительных насадок) обычно не является идеально жестким из-за упругости труб, арматуры, уплотнений и т.п. и мелких пузырьков газа, присутствующих в пути потока. Если упругость слишком велика, например, из-за мягких соединений и больших пузырьков газа, давление в пути потока при перекрытии потока текучей среды будет уменьшаться слишком медленно, и текучая среда будет продолжать протекать, но с очень малой кинетической энергией, чтобы обеспечить распыление, что приведет к образованию капли капель на поверхности распылительной насадки рядом с выпускными отверстиями распылительной насадки. Если упругость велика, поток быстро остановится, и сниженное давление, которое возникнет из-за замедления потока, будет способно всосать текучую среду, накопившуюся вне распылительной насадки, назад в распылительную насадку, таким образом предотвращая образование капель.
Альтернативно варианту осуществления, показанному на фиг.1, впускной канал 2 может вместо того, чтобы содержать точку разветвления, выполняться как полость, сообщающуюся по текучей среде с впускным отверстием 5 через впускной канал, подобный показанному на фиг.3. Пример такой полости 2а приведен на фиг.8. Эта полость сообщается по текучей среде и с выпускными каналами потока, подобными показанным на фиг.3.
В одном варианте осуществления изобретения каналы потока предусмотрены в одном цельном блоке материала. В другом варианте осуществления каналы потока образованы путем соединения двух или больше элементов, из которых один или несколько содержит (содержат) канавки, образующие каналы.
Распылительная насадка может изготовляться, например, из стали, алюминия, пластмассы или керамики зависимо фактического назначения, и в объеме этого изобретения возможен любой тип материала. Выбор материала будет зависеть от ряда параметров, включая рабочую температуру распылительной насадки, технологию производства, используемую для производства распылительной насадки, химическую стойкость против текучей среды и расход и, соответственно, результирующую степень износа.
Точка, в которой потоки текучей среды соударяются, определяется, по меньшей мере, двумя факторами, а именно: расстоянием между выпускными отверстиями 6а и 6b на фиг.3 и углом α на фиг.3. Если выпускные каналы потока по форме являются цилиндрическими, этот угол обычно будет соответствовать углам между осями симметрии соответствующих выпускных каналов потока. Однако выпускные каналы потока могут иметь вдоль пути потока и меняющееся поперечное сечение, например, могут быть коническими - с увеличением или уменьшением площади поперечного сечения в направлении потока. Если поперечное сечение выпускного канала потока является круглым, его диаметр будет соответствовать диаметру потока текучей среды, выходящей из него. Однако, если канал потока конический, диаметр на конце канала потока будет отличаться от диаметра потока текучей среды, выходящей из него.
На фиг.3 угол α между выпускными каналами потока 4 показан равным приблизительно 90°, но могут использоваться и другие углы, скажем, 30°, 60° или 120°. Эти углы могут быть острыми или тупыми. Кроме того, эти углы могут быть постоянными или переменными. Переменные углы можно получать, например, если распылительная насадка 1 содержит выпускные каналы потока 4 с разными углами и, кроме того, содержит средства закрытия (не показаны), которые могут использоваться для блокирования некоторых из каналов.
Распылительная насадка 1 может дополнительно содержать другие средства (не показаны), такие, как фильтровальные средства и(или) нагревательные средства, предназначенные для нагревания текучей среды. Целью этого нагревания может быть улучшение распыления, но оно может быть связанным с фактическим использованием текучей среды. Это может быть необходимым, например для нагревания текучей среды, если это улучшает химический процесс между текучей средой и другим компонентом, таким, как газ или жидкость.
Кроме того, распылительная насадка 1 может содержать один или несколько клапанов, или текучая среда, подаваемая в распылительную насадку, может проходить через один или несколько клапанов, предназначенный или предназначенные для перекрытия потока через одно или несколько выпускных отверстий 6. В варианте осуществления, показанном на фиг.7, который содержит первую группу выпускных отверстий, предназначенных для распыления текучей среды на первом расстоянии от распылительной насадки, и другую группу выпускных отверстий, предназначенных для распыления текучей среды на втором расстоянии от распылительной насадки, клапан (клапаны) может (могут) предназначаться для перекрытия потока через одну из групп выпускных отверстий независимо от потока через другую группу выпускных отверстий. Благодаря этому количество распыляемой текучей среды можно легко регулировать.
Количество распыляемой текучей среды можно регулировать и путем управления клапаном (клапанами) таким образом, чтобы обеспечить пульсирующий поток текучей среды, и(или) путем повторно-кратковременной подачи текучей среды через распылительную насадку. Это можно успешно осуществить путем последовательного открытия и закрытия клапана (клапанов) для последовательного пропуска потока через распылительную насадку и предотвращения его. Пульсация во многих случаях будет требовать, чтобы клапан (клапаны) открывались (закрывались) не полностью. Такое управление особенно целесообразно, если необходимо распылять малые количества текучей среды, поскольку такая пульсация будет создавать потоки текучей среды достаточной силы, чтобы соударение привело к распылению (см. также предыдущее обсуждение этого вопроса выше). Этим можно предпочтительно пользоваться в случаях, когда распылительная насадка используется в условиях, в которых потребность в распыленной текучей среде не является постоянной, и в таких случаях большие количества распыленной текучей среды можно обеспечить путем последовательного открытия и закрытия клапана (клапанов).
Как уже отмечалось, в случае использования режима повторно-кратковременного потока необходимо обеспечить, чтобы текучие среды из разных выпускных каналов потока 4 по-прежнему соударялись. Если каналы потока 3, 4, из-за которых направляются текучие среды, которые необходимо распылять, имеют одинаковые размеры поперечного сечения, соударение можно обеспечить, например, если эти каналы потока 3, 4 будут иметь одинаковую длину. Однако может оказаться необходимым иметь разную длину каналов потока 3, 4, из которых направляются текучие среды, которые необходимо распылять. Разные длины каналов потока 3, 4 могут оказаться необходимыми, например, в случае необходимости соударения двух разных текучих сред, одну из которых необходимо нагревать во время пропуска через канал потока.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления, который содержит четыре канала потока 3. Однако в объеме этого изобретения возможно любое количество каналов потока. В варианте осуществления, показанном на фиг.5, потоки текучей среды соударяются попарно, но могут соударяться потоки и из трех или больше выпускных каналов потока 4. Возможно также и соударение некоторых потоков попарно, а других группами по три или более. В одном варианте осуществления изобретения все потоки текучей среды, кроме одного, соударяются с этим одним потоком текучей среды. Распылительная насадка 1, содержащая каналы потока 3, 4, может выполняться таким образом, чтобы выпускные отверстия 6 каналов размещались так, чтобы сделать возможным распыление на большей площади, чем когда имеются лишь два выпускных отверстия. Две возможные конструкции и возможные количества выпускных каналов потока схематически представлены на фиг.6, на которой показаны торцевые поверхности распылительной насадки. Это решение может быть предпочтительным для случаев применения, в которых распылять необходимо лишь одну текучую среду, но этот вариант осуществления можно использовать и для распыления двух или более текучих сред перед их смешиванием или одновременно с ним.
Распылительная насадка может выполняться таким образом, что все потоки текучей среды будут соударяться с одним или несколькими другими потоками текучей среды на одинаковом расстоянии от торцевой поверхности 7 распылительной насадки 1, как показано на фиг.5. Однако она может выполняться и таким образом, что потоки текучей среды будут соударяться на разных расстояниях от торцевой поверхности 7 распылительной насадки, как схематически показано на фиг.7. Этого можно достичь благодаря разным углам или разным расстояниям между выпускными каналами потока 4, потоки текучей среды из которых соударяются, как схематически показано на фиг.7. Это позволяет улучшить распыление и(или) смешивание потоков текучей среды.
Вместо использования двух или более выпускных отверстий 6, выпускные отверстия можно выполнить в виде кольцеобразной/кольцевой прорези, как схематически показано на фиг.8. Прорезь 8 можно выполнить в виде конического отверстия 9 и соответствующего конического элемента 10, находящегося в этом отверстии. В этом варианте осуществления текучая среда, выходящая из прорези 8, будет выходить из распылительной насадки 1 в сужающейся конической форме. Конический элемент 10 может с возможностью регулирования размещаться таким образом, что продольное положение этого элемента можно регулировать, благодаря чему можно регулировать размер прорези 8. Это делает возможным регулирование количества текучей среды, выходящей из распылительной насадки 1.
В еще одном варианте осуществления (не показанном) распылительная насадка изготовлена из гибкого материала. Использование гибкого материала обеспечит эффект, который будет заключаться в том, что площадь поперечного сечения выпускных отверстий будет зависеть от давления в распылительной насадке. Результатом этого является то, что относительно высокое давление будет приводить к большой площади поперечного сечения, что обеспечит вытекание из выпускных отверстий относительно большого количества текучей среды. Относительно меньшее давление в распылительной насадке будет приводить к относительно меньшей площади поперечного сечения, что обеспечит вытекание из выпускных отверстий относительно меньшего количества текучей среды. Такую распылительную насадку можно было бы предпочтительно изготовить из теплостойкого материала, такого, как силикон.
В одном предпочтительном варианте осуществления (не показанном) выпускные каналы потока образованы трубками-канюлями. Эти трубки-канюли заложены, например, в пластмассу или приварены или приклеены к металлическим деталям и соединены с системой питательных каналов, подающей текучую среду, которую необходимо распылить, в трубки-канюли.
Предлагаемые распылительные насадки можно применять несколькими путями. В частности, для того чтобы удовлетворить конкретную потребность в текучей среде, которую необходимо распылить, и распределении распыленной текучей среды, можно использовать более чем одну распылительную насадку. Например, две распылительные насадки можно разместить таким образом, чтобы распыленная текучая среда из каждой распылительной насадки втекала одна в другую. Кроме того, для регулирования количества текучей среды, которое необходимо распылить, можно использовать две или более распылительные насадки и при этом при максимальной потребности использовать все распылительные насадки, при уменьшении потребности в распыленной текучей среде отключать распылительные насадки, и при увеличении потребности в распыленной текучей среде включать распылительные насадки. В этом случае распылительные насадки могут быть разными в том смысле, что количество распыленной текучей среды, которую каждая распылительная насадка способна обеспечить, может отличаться, впрочем, распылительные насадки могут быть и идентичными.
Использование нескольких распылительных насадок может повысить надежность распыления текучей среды, например, в случае, если одна распылительная насадка забьется. В таком случае давление в остальных распылительных насадках повысится (предполагая, что распылительные насадки соединены с одним источником текучей среды), в результате чего остальные распылительные насадки будут подавать большее количество распыленной текучей среды.
Изобретение может найти использование в нескольких случаях применения, в которых необходимо распыление текучей среды. Одним из таких случаев применения является добавление мочевины в выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, например дизеля, как схематически показано на фиг.9. На этой фигуре показана система, которая содержит двигатель внутреннего сгорания 11, предпочтительно работающий по принципу действия дизеля, бак 12, содержащий водный раствор мочевины (например, известный под товарным знаком AdBlue), и каталитическую систему 13. Выхлоп двигателя 11 соединен с каталитической системой 13 выхлопной трубой 14, которая обычно имеет диаметр 120 мм, соединенной с баком 12, содержащим водный раствор мочевины. Кроме того, эта система содержит дозировочное устройство 15, предназначенное для подачи мочевины в выхлопную систему, чтобы она (мочевина) могла прореагировать с выхлопными газами для уменьшения выбросов газов NOx в окружающую среду. Если для распыления мочевины, прежде чем она добавляется в выхлопные газы, используется предлагаемая распылительная насадка 1, распылительная насадка может содержаться в отдельном устройстве (не показанном), установленном после дозировочного устройства 15 в любом месте вдоль трубы 16 диаметром обычно 4 мм, которая подает мочевину в выхлопные газы. Альтернативно она может выполняться как одно целое с дозировочным устройством 15.
Это устройство предпочтительно размещено таким образом, что распыленная мочевина смешивается с выхлопными газами сразу после выхода из распылительной насадки 1, а распылительная насадка типично размещена таким образом, что текучая среда, выходящая из распылительной насадки, подается струей в выхлопные газы в направлении потока выхлопных газов или в любом другом направлении, которое не обязательно параллельно направлению потока выхлопных газов, например, в направлении, перпендикулярном потоку выхлопных газов. Распылительная насадка может размещаться в центре трубы выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины и(или) в стенке трубы выхлопной системы. Кроме того, вдоль стенки трубы выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания могут по окружности размещаться несколько распылительных насадок. В объеме этого изобретения одна или несколько распылительных насадок может или могут размещаться в любом положении относительно трубы выхлопной системы.
Распылительная насадка 1 типично размещается в выхлопной системе таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение распыленного газа в выхлопных газах для гарантии равномерного распределения распыленной текучей среды в каталитической системе 13. Распылительная насадка может соответственно устанавливаться в центре трубы 14 на фиг.9 со своими выпускными отверстиями, обращенными в направлении потока выхлопных газов (но не обязательно параллельно ему).
Для того чтобы улучшить равномерное распределение распыленной текучей среды, в выхлопной системе можно предусмотреть несколько распылительных насадок. Эти несколько распылительных насадок предпочтительно будут размещаться по окружности и в некоторых случаях равномерно распределяться. Однако распылительные насадки могут устанавливаться и вдоль направления потока выхлопных газов. Выпускные отверстия таких распылительных насадок предпочтительно устанавливаются обращенными в направлении потока выхлопных газов (но не обязательно параллельно ему).
Следует отметить, что в объем этого изобретения входит и сочетание распылительных насадок, размещенных по окружности в направлении потока, и(или) одной или нескольких распылительных насадок, размещенных в центре трубы.
Приведенное выше описание большей частью касается распыления мочевины. Однако изобретение применимо и для распыления других текучих сред, и в случае распыления мочевины в выхлопной системе можно использовать любую текучую среду, способную реагировать с NOx так же, как мочевина для обеспечения избирательного каталитического восстановления.
Изобретение можно установить или модернизировать на уже существующих дизельных двигателях, эксплуатируемых в тяжелых режимах или газовых турбинах на грузовых автомобилях, автобусах, поездах, горном оборудовании, строительном оборудовании, кораблях и самолетах.
1. Распылительная насадка 1 для распыления одной текучей среды, причем указанная распылительная насадка 1 содержит впускное отверстие 5 и одно или несколько выпускных отверстий 6, причем указанные одно или несколько выпускных отверстий 6 размещены таким образом в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания 11 или газовой турбины, предпочтительно дизеля 11, что поток или потоки текучей среды, выходящий или выходящие из одного или нескольких выпускных отверстий 6, соударяются на определенном расстоянии от одного или нескольких выпускных отверстий 6.
2. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что распылительная насадка 1 содержит по меньшей мере два выпускных отверстия 6, размещенных таким образом, что потоки текучей среды, выходящие из одного или нескольких выпускных отверстий 6, соударяются с потоками текучей среды, выходящими из другого или других выпускных отверстий 6.
3. Распылительная насадка 1 по п.2, причем указанная распылительная насадка 1 содержит по меньшей мере три, например, по меньшей мере четыре, например, по меньшей мере пять, например, по меньшей мере шесть выпускных отверстий 6.
4. Распылительная насадка 1 по п.2 или 3, отличающаяся тем, что все выпускные отверстия 6 соединяются с впускным отверстием 5 промежуточными каналами потока 3, которые разделяют и направляют текучую среду, поступающую в распылительную насадку 1, в выпускное отверстие 6 предпочтительно практически равномерно.
5. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что выпускные отверстия 6 расположены таким образом, что потоки текучей среды, выходящие по меньшей мере из двух выпускных отверстий 6, соударяются под углом 30-100°.
6. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что одно или несколько выпускных отверстий 6 образованы на конце отверстия, образующего выпускной канал потока 4, сообщающийся по текучей среде с впускным каналом 2.
7. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения потоков текучей среды, выходящих из выпускных отверстий 6, находится в пределах 0,005-0,05 мм2, например, в пределах 0,01-0,03 мм2, предпочтительно составляет 0,02 мм2.
8. Распылительная насадка 1 по п.1, которая содержит по меньшей мере четыре выпускных отверстия 6, отличающаяся тем, что два из выпускных отверстий 6 размещены таким образом, что текучая среда, выходящая из них, соударяется под первым углом, и тем, что два других выпускных отверстия размещены таким образом, что текучая среда, выходящая из них, соударяется под вторым углом, причем первый и второй углы отличаются друг от друга.
9. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что одно или несколько выпускных отверстий 6 представляет или представляют собой прорезь 8, выполненную таким образом, что потоки текучей среды, выходящей из распылительной насадки 1, будут выходить потоком текучей среды, имеющим коническую форму, сужающуюся в направлении потока.
10. Распылительная насадка 1 по п.9, отличающаяся тем, что прорезь 8 образована коническим отверстием 9 и коническим элементом 10, находящимся в коническом отверстии 9, и тем, что конический элемент 10 предпочтительно может перемещаться в продольном направлении таким образом, что площадь поперечного сечения прорези 8 изменяется.
11. Распылительная насадка 1 по п.1, причем указанная распылительная насадка 1 содержит также фильтровальные и/или нагревательные средства.
12. Распылительная насадка по п.1, причем указанная распылительная насадка содержит также один или несколько клапанов, предназначенных для регулирования потока через распылительную насадку таким образом, чтобы перекрывать распылительную насадку и/или обеспечивать пульсирующий и/или повторно-кратковременный поток текучей среды через распылительную насадку.
13. Распылительная насадка 1 по п.12, отличающаяся тем, что один или несколько клапанов размещены для регулирования потока через одно или несколько выпускных отверстий 6 независимо от потока через одно или несколько других выпускных отверстий 6.
14. Распылительная насадка 1 по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере зона распылительной насадки 1, включая одно или несколько выпускных отверстий 6, изготовлена из гибкого материала, такого, как силикон.
15. Система для смешивания жидкой мочевины или жидкости, которая может реагировать подобно мочевине с NOx для обеспечения избирательного каталитического восстановления с выхлопными газами из двигателя внутреннего сгорания 11 или газовой турбины, отличающаяся тем, что мочевина или жидкость, которая может реагировать подобно мочевине с NOx для обеспечения избирательного каталитического восстановления, добавляется к выхлопным газам и распыляется с ними с помощью одной распылительной насадки или нескольких распылительных насадок 1 по п.1.
16. Система по п.15, отличающаяся тем, что распылительная насадка 1 размещается в центре трубы 14 выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания 11.
17. Система по п.15 или 16, отличающаяся тем, что несколько распылительных насадок 1 распределяются по окружности на стенке трубы 14 выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания.
18. Система по п.15, отличающаяся тем, что одна или несколько распылительных насадок 1 размещены таким образом, чтобы подавать распыленную текучую среду в направлении потока выхлопных газов или в другом направлении, не параллельном направлению потока, например, перпендикулярно направлению потока.
19. Способ распыления одной текучей среды, в котором текучую среду под давлением направляют через одно или несколько выпускных отверстий 6 одной распылительной насадки, ориентация каждого из которых является таковой, что потоки текучей среды, которые выпускают из одного или нескольких выпускных отверстий 6, соударяют на определенном расстоянии от одного или нескольких выпускных отверстий 6, обеспечивая распыление текучей среды, причем распыление осуществляют в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания 11 или газовой турбины, предпочтительно дизеля 11.
20. Способ по п.19, отличающийся тем, что одно или несколько выпускных отверстий 6 соединяют с системой потока, которую выполняют с одним или несколькими отсечными клапанами.
21. Способ по п.19, отличающийся тем, что текучую среду пропускают через одно или несколько выпускных отверстий 6 в повторно-кратковременном режиме.
22. Способ по п.19, отличающийся тем, что текучую среду пропускают через одно или несколько выпускных отверстий 6 в пульсирующем режиме.
23. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что текучую среду пропускают через одно или несколько выпускных отверстий 6 в непрерывном режиме.
24. Способ по п.19, отличающийся тем, что текучую среду пропускают через одно или несколько выпускных отверстий 6 в сочетании повторно-кратковременной подачи, пульсирующей подачи и/или непрерывной подачи в выпускные отверстия 6.
25. Способ по пп.21, 22 или 24, отличающийся тем, что повторно-кратковременное и/или пульсирующее направление текучей среды через одно или несколько выпускных отверстий 6 обеспечивают путем открытия и закрытия одного или нескольких отсечных клапанов.
26. Способ по п.19, отличающийся тем, что текучую среду направляют через одно или несколько выпускных отверстий 6 в синхронном режиме.
27. Способ по п.19, отличающийся тем, что потокам текучей среды, которые соударяют, придают практически одинаковую кинетическую энергию.
28. Способ по п.19, отличающийся тем, что потокам текучей среды, которые соударяют, предоставляют одинаковые массовый расход и скорость.
29. Способ по п.19, отличающийся тем, что обеспечивают протекание по меньшей мере двух потоков текучей среды, выходящих из одного или нескольких выпускных отверстий 6 в одной плоскости.
30. Способ по п.19, в котором текучую среду под давлением избирательно направляют через некоторые или все выпускные отверстия 6 из нескольких выпускных отверстий 6, например, через четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять или больше выпускных отверстий 6 таким образом, чтобы изменять количество распыленной текучей среды путем направления текучей среды через некоторые или все выпускные отверстия 6.
31. Способ по п.19, отличающийся тем, что два или несколько выпускных отверстий 6 располагают таким образом, что обеспечивают по меньшей мере две распыленные струи.
32. Способ по п.31, отличающийся тем, что по меньшей мере две струи распыленной текучей среды обеспечивают ориентацией выпускных отверстий 6 таким образом, что они проходят в направлениях, которые либо параллельны, либо пересекаются.
33. Способ по п.19, отличающийся тем, что текучей средой берут мочевину или жидкость, способную реагировать подобно мочевине с NOx для обеспечения избирательного каталитического восстановления.
34. Способ по п.19, отличающийся тем, что в распылительной насадке 1 по одному из пп.1-14 выполняют одно или несколько выпускных отверстий 6.
