Способ мелкодисперсного распыления жидкости и форсунка для его осуществления

Изобретение относится к способу мелкодисперсного распыления жидкостей. Техническим результатом является повышение степени диспергирования распыляемой среды. Технический результат достигается способом мелкодисперсного распыления жидкостей, который заключается в разделении потока жидкости на два потока, последующем их сталкивании и выпуске результирующего потока через отверстие форсунки. При этом обеспечивают сталкивание разделенных потоков по одной оси. Причем перед встречно-осевым соударением разделенные потоки проходят участки стабилизации, обеспечиваемые превышением длины арочной полости над длиной прямоугольного отверстия. Давление потока жидкости доводят до 3-10 атм. Выпуск результирующего потока осуществляют через отверстие, нормальное плоскости соударения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Заявленные технические решения относятся к области к техники испарительного охлаждения воздуха за счет распыления жидких сред и могут быть использованы в инженерно-технических системах, в системах кондиционирования воздуха в т.ч. дата-центров, в жидкостных охладителях типа градирен, в декоративных и функциональных фонтанах и т.п.

Известен способ распыления жидкости по заявке на патент РФ №98114111, включающий разделение ее на отдельные потоки, попарное подведение их друг к другу встречно в виде закрученных в противоположных направлениях тонких конусообразных пленок и последующее сталкивание. При этом распыление жидкости осуществляют при взаимодействии, по меньшей мере, четырех потоков жидкости, образующих, по меньшей мере, две расположенные на одной оси пары смежных встречно направленных потоков, по меньшей мере, два из которых после сталкивания со смежным потоком вторично сталкивают между собой.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к заявляемому решению (прототипом) является способ распыливания жидкости по а.с. СССР №1123737, заключающийся в том, что поток жидкости предварительно разделяют на два потока с последующим распыливанием путем соударения разделенных потоков под острым углом друг к другу. При этом в соударяющихся между собой струях периодически в прототивофазе изменяют соотношение весовых расходов при постоянном весовом расходе основного потока.

Известна форсунка по а.с. СССР №1819681, содержащая продольную ось, корпус с входным отверстием для распыляемой среды, полую насадку с шаровой поверхностью, снабженную выпускными отверстиями и установленную с возможностью осевого перемещения на корпусе, при этом выходной торец корпуса расположен внутри полости насадки и выполнен скошенным.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявляемой форсунки, является форсунка по патенту РФ №2299769, содержащая снабженный насадкой корпус с входным отверстием для распыляемой среды, имеющей, по меньшей мере, одно выпускное отверстие.

Согласно этому изобретению выпускное отверстие перекрыто арочным экраном, размещенным с внутренней стороны форсунки и обращенным своей полостью к выпускному отверстию, при этом две расположенные напротив друг друга кромки экрана примыкают к поверхности форсунки, а две другие -образуют два оппозитных отверстия.

Однако все указанные аналоги не могут обеспечивать достаточную степень диспергирования распыляемой среды. Это объясняется как стационарным истечением жидкости из выпускного отверстия, так и тем, что выпускные отверстия, как правило, выполнены в виде простой перфорации, т.е. просечки материала с отгибом арки, что не позволяет получить точную соосность встречных потоков, а также устойчивого автоколебательного процесса, поэтому эти факторы не позволяют достигнуть высокой степени турбулизации выходящего потока.

Основной задачей, на решение которой направлены заявленные способ и устройство, является возможность создания в дальнейшем современного испарительного кондиционера, например, для дата-центров, в охладителе которого будет происходить интенсивное разрушение капель жидкости за счет использования в нем заявленных решений.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении степени диспергирования распыляемой среды за счет образования в выходном отверстии устойчивого высокоамплитудного автоколебательного процесса, в ходе которого идет интенсивное распыление воды на очень мелкие капли, что в дальнейшем способствует их быстрому испарению.

Этот технический результат достигается в способе мелкодисперсного распыления жидкостей, при котором также как и в прототипе разделяют поток жидкости на два потока, последующее их сталкивание и выпуск результирующего потока через отверстие форсунки. В отличие от прототипа сталкивание разделенных потоков осуществляют по одной оси, причем перед встречно-осевым соударением разделенные потоки проходят участки стабилизации, обеспечиваемые превышением длины арочной полости над длиной прямоугольного отверстия, а давление потока жидкости доводят до 3-10 атм. Кроме того, выпуск результирующего потока осуществляют через отверстие, нормальное плоскости соударения.

Указанный технический эффект может быть достигнут с помощью форсунки, содержащей корпус с входным отверстием для распыляемой среды, выполненный в виде патрубка, закрытого с другой стороны крышкой, имеющей, по меньшей мере, одно прямоугольное выпускное отверстие для распыляемой среды, перекрытое арочной полостью и размещенной внутри форсунки. Арочная полость образована в виде канавки, выполненной в пластине, размещенной внутри форсунки между корпусом и крышкой, причем в пластине выполнены два отверстия, примыкающие (сопряженные) к упомянутой канавке. При этом длина арочной полости должна быть больше длины прямоугольного отверстия и образовывать два участка стабилизации, направляющих потоки жидкости навстречу друг другу.

Кроме того, как показали проведенные испытания, наиболее оптимальный диапазон превышения длины арочной полости над длиной прямоугольного отверстия, при котором заявленный технический результат наиболее эффективен, составляет от 1,5 до 5,0. Поэтому в частном случае соотношение длины арочной полости и длины прямоугольного отверстия указано в диапазоне от 1,5 до 5,0.

В другом частном случае крышка может быть выполнена в виде тонкой металлической или полимерной мембраны.

Суть изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.

На фиг. 1, 2 и 3 показан чертеж корпуса форсунки, выполненный в виде патрубка 1, закрытого крышкой 2, имеющей, по меньшей мере, одно прямоугольное выпускное отверстие 3, перекрытое внутри корпуса арочной полостью 4, образованной аркообразной канавкой, выполненной в пластине 5. К этой канавке примыкают два отверстия 6. Крышка 2 и пластина 5 закреплены на патрубке накидной гайкой 7.

На фиг. 2 показаны схема соударения встречных потоков и сопряжение пластины и крышки внутри форсунки в более крупном формате.

Жидкость затекает через отверстия 6 в пластине 5 в арочную полость 4, проходит участки стабилизации и, сталкиваясь, вытекает из отверстия 3 в крышке 2 в виде высокоамплитудного пульсирующего мелкодисперсного распыляющегося факела. Гистограмма распределения диаметра капель представлена на фиг. 4.

При существенных расходах воды форсунка может содержать 2-4 прямоугольных отверстий, для примера на фиг. 5 показана форсунка с 3-мя отверстиями.

Способ распыления жидкостей по п. 1 и 2 формулы осуществляют следующим образом: Распыляемая среда в виде жидкости, например, вода из водопроводной сети через входное отверстие форсунки (фиг. 1) поступает в ее корпус 1. Затем с помощью насоса доводят давление потока воды до 3-10 атм, что в дальнейшем способствует повышению процента мелкодисперсных капель и увеличивает угол распыла. В корпусе 1 происходит разделение потока за счет параллельных отверстий 6, разделенные потоки направляются навстречу друг другу по арочной полости 4, проходя участки стабилизации потоков, которые обеспечивают оппозитно-встречное течение. Далее потоки соударяются и начинается их турбулизация.

Арочная полость 4 перекрывает прямоугольное выпускное отверстие 3, нормальное плоскости соударения, в котором идет интенсивное распыление воды. Под арочной полостью в результате соударения потоков происходит дальнейшее дробление и турбулизация, а также возникает мощный автоколебательный процесс, что в конечном итоге приводит к повышению степени диспергирования распыляемой среды, которая выходит из форсунки наружу через выпускное прямоугольное отверстие 3 в виде мельчайших капель, причем безразмерная амплитуда автоколебаний, определяемая как отношение максимальной скорости жидкости к средней по расходу , принимает значения 5-6 (Журнал «Холодильная техника» 12.2018. (стр. 34-41)). Интенсивные автоколебания жидкости под арочным элементом дают векторы скорости выхода результирующего течения, показанные на фиг. 2. Кафедра физической механики российского университета МФТИ (Москва) провела исследование по определению дисперсности капель, образуемых форсункой с отверстием 0,3×0,9 мм при давлении воды Р=10 атм. Из гистограммы на фиг. 4 видно, что средний диаметр спрея водяных капель составляет 13 мкм.

Распыляемая жидкость на подходе к арочному элементу может иметь хаотический характер распределения скоростей, на который действуют местные сопротивления в подводящих трубопроводах, стенки патрубка 1, возможная асимметрия в расположении арочного элемента 4 на крышке 3. Для выравнивания потоков и придания им оппозитно-встречного характера служат участки стабилизации, обеспечиваемые превышением длины арочного элемента над длиной прямоугольного отверстия.

Как показали проведенные испытания, устойчивость автоколебаний обеспечивается участками стабилизации течений до их встречи. Участки стабилизации обеспечивают соосность течений и угол встречи в 180°. Нарушение соосности встречных струй ослабляет амплитуду автоколебаний, вплоть до их прекращения.

На фиг. 2 показана схема соударения встречных потоков, угол между векторами течений равен 180°. Автоколебания возникают, их амплитуда велика и процесс распыления идет интенсивно, т.к. число Вебера 410. В случае уменьшения угла или рассогласования соосности встречных течений автоколебаний практически не возникает и происходит взаимопроникновение течений друг в друга и их слияние.

При проведении испытаний было установлено, что при размере выпускного отверстия 0,4×1,2 мм и давлении воды порядка 10 атм частота автоколебаний составляет 1500-2000 Гц. Именно автоколебания разделяют сплошной секундный поток воды на 2000 - 3000 элементарных объемов, которые с высокой скоростью выходят из под арочного элемента в выходное отверстие. Войдя в окружающую среду, элементарный объем начинает размещаться с образованием микрокапель, т.к. число Вебера We=d(U-v)/2 410, что больше критического числа Вебера We_кр.350, определяющего режим катастрофического дробления жидкости на капли.

Заявленный способ может быть реализован в системах испарительного охлаждения, например, в дата-центрах, газотурбинных установках, аппаратах воздушного охлаждения нефте/газохимии. Расход распыляемой воды в диапазоне 20 кг/час - 20 м³/час.

1. Способ мелкодисперсного распыления жидкостей, заключающийся в разделении потока жидкости на два потока, последующем их сталкивании и выпуске результирующего потока через отверстие форсунки, отличающийся тем, что обеспечивают сталкивание разделенных потоков по одной оси, причем перед встречно-осевым соударением разделенные потоки проходят участки стабилизации, обеспечиваемые превышением длины арочной полости над длиной прямоугольного отверстия, а давление потока жидкости доводят до 3-10 атм, кроме того, выпуск результирующего потока осуществляют через отверстие, нормальное плоскости соударения.

2. Форсунка, предназначенная для осуществления способа по п.1, имеющая корпус с входным отверстием для распыляемой среды, выполненный в виде патрубка, закрытого с другой стороны крышкой, имеющей, по меньшей мере, одно прямоугольное выпускное отверстие для распыляемой среды, перекрытое арочной полостью, размещенной внутри форсунки, отличающаяся тем, что арочная полость образована в виде канавки, выполненной в пластине, размещенной внутри форсунки между корпусом и крышкой, причем в пластине выполнены два отверстия, сопряженные с упомянутой канавкой, а длина арочной полости больше длины прямоугольного отверстия.

3. Форсунка по п. 2, отличающаяся тем, что крышка выполнена в виде тонкой металлической или полимерной мембраны.