RU2215702C1 - Blowing head - Google Patents
Blowing head Download PDFInfo
- Publication number
- RU2215702C1 RU2215702C1 RU2002103856A RU2002103856A RU2215702C1 RU 2215702 C1 RU2215702 C1 RU 2215702C1 RU 2002103856 A RU2002103856 A RU 2002103856A RU 2002103856 A RU2002103856 A RU 2002103856A RU 2215702 C1 RU2215702 C1 RU 2215702C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- chamber
- section
- inlet
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства строительных теплозвукоизоляционных материалов и может быть использовано в производстве супертонких штапельных волокон из минеральных расплавов путем вертикального раздува высокоскоростной струей газообразного энергоносителя. The invention relates to the production of building heat and sound insulating materials and can be used in the production of superthin staple fibers from mineral melts by vertical blowing with a high-speed jet of a gaseous energy carrier.
Известна дутьевая головка для получения штапельного минерального волокна, содержащая корпус с патрубком ввода энергоносителя, крышку с отверстием для подачи расплава и патрубком, досопловую и подсопловую камеры, сопло в виде кольцевой щели между крышкой и корпусом, а также резонирующую полость между корпусом и стаканом в виде тупиковой кольцевой проточки в подсопловой камере (А. с. 827429). Known blasting head for staple mineral fiber, comprising a housing with an energy input pipe, a lid with a melt hole and a nozzle, a sub-nozzle and sub-nozzle chamber, a nozzle in the form of an annular gap between the cover and the housing, and a resonating cavity between the housing and the glass in the form deadlock annular grooves in the sub-nozzle chamber (A. p. 827429).
Известна также дутьевая головка для получения минерального штапельного волокна, содержащая корпус с патрубком, крышку с отверстием для подачи расплава и патрубком, досопловую и подсопловую камеры, сопло в виде кольцевой щели между крышкой и корпусом, резонирующую полость в подсопловой камере в виде тупиковой кольцевой проточки между корпусом и стаканом, который изнутри выполнен в виде диффузора из жаростойких материалов (А. с. 941326). Also known is a blasting head for producing mineral staple fiber, comprising a housing with a nozzle, a lid with a melt supply hole and a nozzle, a pre-nozzle and sub-nozzle chamber, a nozzle in the form of an annular gap between the lid and the housing, a resonating cavity in the under-nozzle chamber in the form of a dead-end annular groove between a case and a glass, which is internally made in the form of a diffuser made of heat-resistant materials (A. p. 941326).
В этих устройствах для диспергирования струи расплава используется механизм диффузной кавитации, обусловленный воздействием на струю акустическими волнами ультразвукового диапазона. Диффузный механизм расширения газовых пузырьков многократно уступает в интенсивности механизму кавитации, обусловленному декомпрессионной дегазацией, приводящей при резком падении давления в жидкой струе расплава (что адекватно падению давления внешней среды) к такому же резкому относительному повышению давления в зародыше газового пузырька. Этот механизм играет основную роль в кавитационном процессе, возникающем в жидкостях с малым содержанием газа в области температур, далеких от точки кипения (что характерно для перегретых расплавов горных пород) ("Ультразвук. Маленькая энциклопедия", под редакцией Голяминой И.П., М., 1979 г., раздел - Кавитация, стр. 156-157). In these devices, for dispersing the jet of the melt, the mechanism of diffuse cavitation is used, due to the impact on the stream of acoustic waves in the ultrasonic range. The diffuse mechanism of expansion of gas bubbles is much inferior in intensity to the cavitation mechanism due to decompression degassing, which leads to a sharp relative increase in pressure in the nucleus of a gas bubble upon a sharp drop in pressure in the liquid melt stream (which is equivalent to a drop in pressure of the external medium). This mechanism plays a major role in the cavitation process that occurs in liquids with a low gas content at temperatures far from the boiling point (which is typical for superheated rock melts) (Ultrasound. Small Encyclopedia, edited by IP Golyamina, M ., 1979, section - Cavitation, pp. 156-157).
Наиболее близкой к предлагаемому устройству из известных устройств является дутьевая головка для получения супертонкого волокна, содержащая корпус с патрубком для ввода энергоносителя, крышку с отверстием для подачи расплава, досопловую и подсопловую камеры, кольцевое рабочее сопло и кольцевую полость акустического резонатора, отделенную от досопловой камеры каналами, расположенными тангенциально относительно радиуса полости резонатора, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси дутьевой головки (А. с. 1278310). В этой дутьевой головке используется механизм декомпрессионного диспергирования в потоке энергоносителя, модулированного акустическими колебаниями звуковой частоты. Closest to the proposed device of the known devices is a blasting head for producing a superthin fiber, comprising a housing with a nozzle for introducing energy, a lid with a hole for supplying a melt, a pre-nozzle and sub-nozzle chamber, an annular working nozzle and an annular cavity of the acoustic cavity separated from the pre-nozzle chamber by channels located tangentially relative to the radius of the cavity of the resonator lying in a plane perpendicular to the axis of the blasting head (A. p. 1278310). This blowing head uses the decompression dispersion mechanism in the energy carrier flow modulated by acoustic vibrations of sound frequency.
К недостаткам этого устройства относятся следующие конструктивные особенности. The disadvantages of this device include the following design features.
1. В вихревом акустическом генераторе (А. с. 1278310), выполненном в виде модификации свистка Гальтона, энергоноситель подается в камеру резонатора через тангенциально расположенные отверстия. Образовавшийся в камере вихревой поток закручивает энергоноситель в плоскости, перпендикулярной оси сопла, отбрасывая его к периферийной стенке камеры резонатора (что объясняется центробежными силами) и создавая у внутренней стенки, непосредственно примыкающей к соплу, значительное разряжение за счет эжекции газа скоростной вращающейся струей. Вектор линейной скорости вихревого потока направлен тангенциально по отношению к радиусу кольцевой щели рабочего сопла, что обеспечивает малое сопротивление вращающемуся потоку и препятствует его истечению через рабочее сопло. Вращение вихревого потока продолжается до тех пор, пока статическая составляющая полного давления энергоносителя у внутренней стенки резонатора, отделенной от входных тангенциальных отверстий вихревым потоком и непосредственно примыкающей к рабочему соплу, не станет меньше давления в подсопловой камере и воздух не начнет поступать вдоль внутренней стенки рабочего сопла внутрь резонатора, создавая противоток в рабочем сопле, повышая массу вращающегося газа и давление в резонаторе. При этом скорость вращения вихревого потока, в соответствии с законом сохранения количества движения, резко падает. Этот момент соответствует началу нового колебательного цикла. Таким образом, колебательный процесс отбирает всю энергию потока (постоянная составляющая расхода энергоносителя практически отсутствует). Нарушение структуры вихря и изменение расхода на выходе из сопла меняется с частотой собственных колебаний системы, значение которой пропорционально суммарному сечению тангенциальных отверстий, обратно пропорционально объему камеры резонатора и суммарному объему тангенциальных каналов. 1. In a vortex acoustic generator (A. p. 1278310), made in the form of a modification of the Galton whistle, the energy carrier is supplied to the resonator chamber through tangentially located openings. The vortex flow formed in the chamber spins the energy carrier in a plane perpendicular to the axis of the nozzle, dropping it to the peripheral wall of the resonator chamber (which is explained by centrifugal forces) and creating a significant rarefaction at the inner wall directly adjacent to the nozzle due to gas ejection by a fast rotating jet. The linear velocity vector of the vortex flow is directed tangentially with respect to the radius of the annular gap of the working nozzle, which provides low resistance to the rotating flow and prevents its outflow through the working nozzle. The rotation of the vortex flow continues until the static component of the total pressure of the energy carrier at the inner wall of the resonator, separated from the inlet tangential holes by the vortex flow and directly adjacent to the working nozzle, becomes less than the pressure in the sub-nozzle chamber and air begins to flow along the inner wall of the working nozzle into the cavity, creating a countercurrent in the working nozzle, increasing the mass of the rotating gas and the pressure in the cavity. In this case, the rotation speed of the vortex flow, in accordance with the law of conservation of momentum, drops sharply. This moment corresponds to the beginning of a new oscillatory cycle. Thus, the oscillatory process selects all the energy of the flow (the constant component of the energy carrier flow is practically absent). Violation of the structure of the vortex and a change in the flow rate at the exit of the nozzle changes with the natural frequency of the system, the value of which is proportional to the total cross section of the tangential holes, inversely proportional to the volume of the cavity chamber and the total volume of the tangential channels.
Отличительная особенность такого генератора состоит в том, что он обеспечивает со сдвигом в полупериод и рабочий расход энергоносителя, и проскок атмосферного воздуха в резонатор, а интенсивность затягивания части струи расплава вместе с воздухом в камеру резонатора пропорциональна амплитуде колебаний. Частота акустических колебаний такого генератора, практически совпадающая с частотой собственных колебаний системы, обусловливает эффект резонанса и соответствующее ему резкое увеличение амплитуды акустических колебаний, приводящее к большой доле неволокнистых включений (более 37%)не только из-за затягивания расплава в резонатор, но и из-за возбуждения слишком интенсивной кавитации в струе расплава, разрывающей струю на ультрамелкие частицы, не способные к дальнейшему волокнообразованию. A distinctive feature of such a generator is that it provides, with a half-time shift, both the energy carrier working flow and atmospheric air breakthrough into the resonator, and the intensity of drawing a part of the melt jet together with air into the resonator chamber is proportional to the oscillation amplitude. The frequency of acoustic vibrations of such a generator, which practically coincides with the frequency of natural vibrations of the system, determines the resonance effect and the corresponding sharp increase in the amplitude of acoustic vibrations, which leads to a large proportion of non-fibrous inclusions (more than 37%) not only due to the melt being drawn into the resonator, but also from - due to the excitation of too intense cavitation in the melt stream, tearing the stream into ultrafine particles that are not capable of further fiber formation.
2. Подсопловая камера устройства выполнена в виде плавно расширяющегося конуса-диффузора, предусматривающего постепенное расширение (торможение) потока энергоносителя (вместе с эжектированными расплавом и наружным воздухом) по мере удаления от рабочего сопла. 2. The sub-nozzle chamber of the device is made in the form of a smoothly expanding cone-diffuser, providing for the gradual expansion (braking) of the energy carrier flow (together with the ejected melt and outside air) as it moves away from the working nozzle.
Плавное расширение проходного сечения подсопловой камеры непосредственно за соплом ведет к торможению дозвукового потока энергоносителя еще до контакта с расплавом и отводит поток в сторону от поступающей струи расплава, снижая эффективность кавитационного расщепления и волокнообразования. Кроме того, в зоне расщепления струи расплава, где подсопловая камера имеет практически постоянную площадь поперечного (проходного) сечения, происходит активный разогрев турбулентного потока энергоносителя многократно увеличившим свою излучающую поверхность расплавом, что в совокупности с совершаемой этим дозвуковым потоком дополнительной работой по эжекционному захвату наружного воздуха через отверстие и патрубок в крышке, в соответствии с законом обращения взаимодействий, приводит к возрастанию давления в зоне расщепления и, соответственно, к ослаблению эжекции расплава и увеличению скорости потока на выходе из головки (Кириллин В.А. и др. "Техническая термодинамика" 1983 г., гл.8, раздел 8.6). Повышение скорости потока на выходе из головки ведет к увеличению вертикальных размеров (при вертикальном раздуве) камеры раздува - волокноосаждения до 10-12 м, т.к. затормозить поток до скорости, обеспечивающей качественную сепарацию волокна от крупных неволокнистых включений (более 0.2 мм) на меньшем пути торможения, невозможно. В подсопловой камере, плавно расширяющейся по мере удаления от сопла, расплав при вертикальном раздуве не в состоянии попасть в зону максимальной концентрации потока энергоносителя под соплом у стенки диффузора, зато вплотную приближается к внутреннему краю сопла, работающему, в основном, на всасывание, что увеличивает долю неволокнистых включений. Smooth expansion of the passage section of the sub-nozzle chamber immediately behind the nozzle leads to inhibition of the subsonic energy carrier flow even before contact with the melt and diverts the flow away from the incoming melt jet, reducing the efficiency of cavitation splitting and fiber formation. In addition, in the melt jet splitting zone, where the sub-nozzle chamber has a practically constant cross-sectional (through) cross-sectional area, the turbulent energy carrier is actively heated by the melt many times increasing its radiating surface, which, together with the additional work performed by this subsonic flow on ejection capture of the outside air through the hole and the nozzle in the cap, in accordance with the law of reversal of interactions, leads to an increase in pressure in the splitting zone and, with respectively, to a weakening of the ejection of the melt and increase the flow velocity at the outlet of the head (Kirillin VA, et al., "Engineering Thermodynamics" 1983, at
Целью изобретения является оптимизация конструктивных элементов дутьевой головки, влияющих на параметры волокна, качество минераловатного холста, на общее энергопотребление процесса раздува волокна и на габариты технологического оборудования. The aim of the invention is to optimize the structural elements of the blasting head, affecting the parameters of the fiber, the quality of the mineral wool canvas, the total energy consumption of the process of blowing the fiber and the dimensions of the processing equipment.
Как известно, скорость вытяжки супертонкого штапельного волокна со средним диаметром 1-3 мкм находится в пределах 80-100 м/с ("Базальтоволокнистые материалы" Конверсиздат, Москва, 2001 г., стр.9). Процесс получения высококачественного супертонкого и ультратонкого штапельного волокна предусматривает предварительный перегрев расплава (для его лучшей гомогенизации) до температуры, на 300:500oС превышающей температуру плавления. Это обусловливает снижение вязкости расплава и его поверхностного натяжения, а также приводит к уменьшению не только диаметра, но и длины волокна. При работе с таким расплавом для вытяжки длинных супертонких волокон (с отношением длины к диаметру 104 и более) необходимо последовательное воздействие:
1 - на струю расплава - коротким импульсом динамического давления ограниченной мощности (с целью ее кавитационного разрушения) и
2 - на отделившиеся от струи множественные частицы расплава - постепенно снижающимся динамическим давлением скоростного потока энергоносителя, длительность действия которого по меньшей мере в 1,5 раза превышала бы длительность переднего фронта импульса (роста давления в начале периода).As you know, the drawing speed of a superthin staple fiber with an average diameter of 1-3 microns is in the range of 80-100 m / s ("Basalt fiber materials" Conversizdat, Moscow, 2001, p. 9). The process of obtaining high-quality superthin and ultra-thin staple fibers provides for the preliminary overheating of the melt (for its better homogenization) to a temperature of 300: 500 o With higher than the melting temperature. This leads to a decrease in the viscosity of the melt and its surface tension, and also leads to a decrease not only in diameter but also in fiber length. When working with such a melt, for the drawing of long superthin fibers (with a ratio of length to diameter of 10 4 or more), a sequential action is necessary:
1 - to the melt stream - a short pulse of dynamic pressure of limited power (with the aim of its cavitation destruction) and
2 — on multiple melt particles separated from the jet — by a gradually decreasing dynamic pressure of a high-speed energy carrier flow, the duration of which would be at least 1.5 times longer than the duration of the leading edge of the pulse (pressure increase at the beginning of the period).
Такое последовательное чередование должно происходить с частотой не более 4: 5 кГц, обеспечивающей временной промежуток между передними фронтами импульсов, достаточный для ускорения частиц расплава со средним диаметром 10: 30 мкм до скорости 80-100 м/с на пути свыше 3-10-2 м, т.к. каждый следующий импульс, как правило, приводит к обрыву ультратонких волокон, вытягиваемых на периферии расщепленной струи (оставляя в целости более грубое супертонкое волокно, вытягиваемое ближе к оси дутьевой головки). Кроме того, истекающая из сопла высокоскоростная струя энергоносителя не должна периодически менять своего направления, иначе говоря, не должна засасывать воздух вместе с частицами расплава во внутреннюю полость дутьевой головки, что приводит к недопустимо большому проценту выхода неволокнистых включений в виде каменной пыли и ускоренному износу головки.Such sequential alternation should occur with a frequency of not more than 4: 5 kHz, providing a time gap between the leading edges of the pulses, sufficient to accelerate the particles of the melt with an average diameter of 10: 30 μm to a speed of 80-100 m / s on the way over 3-10 -2 m, because each subsequent impulse, as a rule, leads to the breaking of ultrafine fibers elongated at the periphery of the split jet (leaving intact a coarser superthin fiber pulled closer to the axis of the blasting head). In addition, the high-speed jet of energy flowing from the nozzle should not periodically change its direction, in other words, it should not suck air together with the melt particles into the internal cavity of the blasting head, which leads to an unacceptably large percentage of the output of non-fibrous inclusions in the form of stone dust and accelerated head wear .
Предлагаемое устройство должно последовательно генерировать акустические волны (модулируя с той же частотой поток энергоносителя) таким образом, чтобы в результате максимальный расход и скорость потока совпадали по времени с прохождением фронта акустической волны. Мощность акустического излучения в зоне первоначального контакта высокоскоростного модулированного потока энергоносителя со струей расплава должна быть минимально достаточной для диспергирования расплава на фракции от 10 до 50 мкм, пригодные для вытяжки супертонкого волокна, а сам характер изменения скорости потока энергоносителя во времени имел бы пилообразную форму с крутым передним фронтом. При этом поток энергоносителя должен истекать из сопла непрерывно, не меняя во времени своего направления воздействия на струю расплава. The proposed device should consistently generate acoustic waves (modulating at the same frequency the energy carrier flow) so that as a result the maximum flow rate and flow velocity coincide in time with the passage of the front of the acoustic wave. The acoustic radiation power in the initial contact zone of the high-speed modulated energy carrier flow with the melt stream should be minimally sufficient to disperse the melt into fractions of 10 to 50 μm, suitable for drawing superfine fibers, and the very nature of the change in the energy carrier velocity over time would have a sawtooth shape with a steep leading edge. In this case, the energy carrier flow must flow out of the nozzle continuously, without changing in time its direction of influence on the melt stream.
В конструкции дутьевой головки должна быть предусмотрена возможность направленного изменения соотношения основных энергетических параметров (скорости потока энергоносителя на выходе из рабочего сопла, частоты изменения этой скорости и объемного расхода, а также амплитуды акустических колебаний) в зависимости от реологической характеристики расплава путем простой регулировки внутреннего объема досопловой камеры и давления энергоносителя в подводящей магистрали. The design of the blower head should provide for the possibility of directional changes in the ratio of the main energy parameters (flow rate of the energy carrier at the exit of the working nozzle, the frequency of change of this speed and volumetric flow rate, as well as the amplitude of acoustic vibrations) depending on the rheological characteristics of the melt by simply adjusting the internal volume of the pre-heat energy chamber and pressure in the supply line.
Необходимо применить интенсивное разделение образовавшихся в скоростном потоке волокон и торможение этого потока в самой головке, что должно привести к укорачиванию факела раздува и повысить степень сепарации в малогабаритных камерах раздува-волокноосаждения с малым расходом рециркуляции потока отдува. It is necessary to apply intensive separation of the fibers formed in the high-speed flow and braking of this flow in the head itself, which should lead to a shortening of the blow-off torch and increase the degree of separation in small-size blow-out-fiber deposition chambers with a low flow rate of recirculation of the blow-off stream.
Поставленная цель достигается тем, что в дутьевой головке, содержащей корпус, патрубок с отверстием для ввода энергоносителя, стакан, крышку, воронку с отверстием для подачи расплава, кольцевую полость акустического резонатора, кольцевое рабочее сопло и подсопловую камеру, внутренняя полость головки от отверстия патрубка до рабочего сопла образована вращением вокруг оси головки контура, состоящего из дуги окружности с центральным углом от 120 до 210o и сопряженных с ней отрезков прямой, и разделена стаканом на три последовательные камеры - входную, резонатора, отделенную от входной ускорительным соплом, и буферную, причем отношение объемов камеры резонатора к объему входной камеры от 0,1 до 0,6, площадь отверстия входного патрубка в 4-9 раз меньше сечения входной камеры и в 1,5-2 раза меньше сечения ускорительного сопла, которое в 1,3-5 раз больше сечения входного сопла буферной камеры, превышающего, в свою очередь, в 1,2-1,5 раза сечение рабочего сопла, образованного отбойным выступом на поверхности воронки на расстоянии от кромки входного сопла буферной камеры не менее удвоенной ширины его щели, а образующая внешнего конуса стакана, длина которой в 1,5-2 раза меньше длины контура, ограничивающего поверхность резонатора с противоположной стороны, составляет угол от 90 до 150o с внутренней поверхностью ускорительного сопла и угол от 30 до 90o с внутренним конусом стакана, ограниченным ступенчатой проточкой, формирующей волокнообразующее сопло, площадь сечения которого, по крайней мере, в 3 раза меньше площади сечения подсопловой камеры за торцом ступенчатой проточки, отстоящим от торца отбойного выступа не менее чем на половину расстояния от этого торца до точки пересечения образующих выступа и внутреннего конуса стакана.This goal is achieved by the fact that in the blasting head containing a housing, a nozzle with an opening for inputting energy, a glass, a lid, a funnel with an opening for supplying a melt, an annular cavity of an acoustic resonator, an annular working nozzle and a sub-nozzle chamber, an internal cavity of the head from an opening of the nozzle to the working nozzle is formed by rotation around the axis of the head of the contour, consisting of an arc of a circle with a central angle of 120 to 210 o and the segments of the line mating with it, and is divided into three successive chambers by a glass - the inlet, cavity, separated from the inlet by the accelerator nozzle, and the buffer, and the ratio of the cavity chamber volumes to the inlet chamber volume is from 0.1 to 0.6, the inlet port opening area is 4–9 times smaller than the inlet chamber section and 1.5– 2 times less than the section of the accelerating nozzle, which is 1.3-5 times larger than the section of the inlet nozzle of the buffer chamber, which, in turn, exceeds 1.2-1.5 times the cross section of the working nozzle formed by the fender protrusion on the surface of the funnel at a distance from edges of the inlet nozzle of the buffer chamber not less than twice the width its slots, and the generatrix of the outer cone of the glass, the length of which is 1.5-2 times less than the length of the circuit bounding the surface of the resonator on the opposite side, is an angle of 90 to 150 o with the inner surface of the accelerating nozzle and an angle of 30 to 90 o s the inner cone of the glass, limited by a stepped groove, forming a fiber-forming nozzle, the cross-sectional area of which is at least 3 times smaller than the cross-sectional area of the sub-nozzle chamber behind the end of the stepped groove, at least halfway from the end of the baffle protrusion at a distance from this end to the point of intersection forming the protrusion and the inner cone nozzle.
На фиг. 1 изображена дутьевая головка. На фиг. 2 изображена расчетная схема и основные геометрические параметры, влияющие на работоспособность головки. На фиг.3 изображена временная зависимость изменения амплитуды генерируемых колебаний (переменной составляющей полного давления в камере резонатора). In FIG. 1 shows a blow head. In FIG. 2 shows the design scheme and the basic geometric parameters that affect the performance of the head. Figure 3 shows the time dependence of the change in the amplitude of the generated oscillations (a variable component of the total pressure in the cavity of the resonator).
Дутьевая головка состоит из корпуса 1 с входным патрубком ввода энергоносителя 2, имеющим площадь проходного сечения отверстия S0, стакана 3, крышки 4 и заворачивающейся в нее по мелкой резьбе воронки 5, предназначенной для приема струи расплава и регулировки режима образования акустических автоколебаний, а также диффузора 6. Корпус в совокупности со стаканом, крышкой и воронкой образуют входную камеру 7 с площадью проходного сечения S1, ускорительное сопло 8 с площадью выходного сечения S2, камеру резонатора 9, буферную камеру 10 с площадью проходного сечения S3:S4 и рабочее сопло 11 с площадью проходного сечения S5. Сопло 8 своей внешней поверхностью 12, выполненной в крышке 4, тангенциально сопряжено с торообразной поверхностью 13 резонатора 9, выполненной в воронке 5. Образующая дуга поверхности 13 с центральным углом ω от 120 до 210o и радиусом кривизны R переходит в тангенциально сопряженную с ней поверхность 14, заканчивающуюся отбойным выступом 15, формирующим рабочее сопло 11. Между внутренней поверхностью 16 ускорительного сопла 8 и входным соплом 17 (с площадью сечения S3) буферной камеры 10 расположен внешний конус 18 стакана 3, длина которого L1 в 1,5:2 раза меньше длины контура EN, образующего поверхность резонатора от выходного сечения S2 ускорительного сопла 8 до входного сопла 17 буферной камеры. Внутренний конус 19 стакана служит общей стенкой буферной камеры 10 и рабочего сопла 11, при этом длина канала L2 буферной камеры не менее удвоенной ширины Δ кольцевой щели сопла 17. Угол α между образующей внешнего конуса 18 и внутренней поверхностью 16 ускорительного сопла составляет не менее 90o и не более 150o. Угол β между образующей внешнего конуса 18 и внутренним конусом стакана 19 от 30 до 90o. Пересечение внутреннего конуса 19 стакана с торцом ступенчатой проточки 20 формирует волокнообразующее сопло 21, площадь сечения которого S6 не менее чем в 3 раза меньше сечения S7 подсопловой камеры 22, при этом торец ступенчатой проточки 20 отстоит от торца 23 отбойного выступа 15 на расстояние h, составляющее не менее половины расстояния Н от торца 23 до точки М пересечения образующих конической поверхности 19 и отбойного выступа 15.The blasting head consists of a
Формирование супертонкого волокна из расплава с помощью предлагаемой дутьевой головки производится следующим образом. The formation of superthin fibers from the melt using the proposed blasting head is as follows.
Энергоноситель по подводящему патрубку 2 поступает во входную камеру 7, проходит через ускорительное сопло 8 в резонатор 9, возбуждая в нем вынужденные акустические колебания, модулирующие выходящий с дозвуковой скоростью из рабочего сопла 11 поток энергоносителя в виде импульсов пилообразной формы с крутым передним и пологим задним фронтами. Расплав через отверстие в воронке 5, увлекаемый эжекционным потоком, поступает в подсопловую камеру 22, которая на минимальном удалении от рабочего сопла 11 имеет резкое расширение, выполненное в виде проточки 20, увеличивающей площадь сечения S7 камеры 22 не менее чем в 3 раза по сравнению с сечением S6 волокнообразующего сопла 21, за счет чего за его ребром образуется турбулентная кольцевая вихревая зона с пониженным давлением, которая в совокупности с пульсацией потока энергоносителя и ультразвуковым облучением вблизи торца 23 вызывает кавитационный разрыв струи расплава на множество мелких частиц, которые в процессе ускоряющегося полета вытягиваются в волокна.The energy carrier through the inlet pipe 2 enters the
Генератор акустических колебаний работает следующим образом. The acoustic oscillator operates as follows.
В начале цикла (отсчет удобнее вести от точки А на временной оси - см. фиг. 3) давление Рa во входной камере 7 и резонаторе 9 максимально, расход энергоносителя через рабочее сопло 11 также максимальный. Первичный поток энергоносителя (постоянная составляющая его объемного расхода) через рабочее сопло 11 и буферную камеру 10 вызывает снижение давления в камере резонатора 9. При этом, за счет того что проходное сечение рабочего сопла меньше сечения буферной камеры, скорость потока в буферной камере меньше, чем в рабочем сопле, а статическая составляющая полного давления занимает промежуточное значение между давлением в резонаторе и давлением Рo в подсопловой камере 22. За время t1 падение давления в резонаторе обеспечивает дополнительное поступление в него энергоносителя из объема входной камеры 7 через ускорительное сопло 8. Этот поток обтекает торообразную поверхность 13 резонатора 9 в направлении оси дутьевой головки. Вектор скорости любой точки потока лежит в плоскости, проходящей через ось OU рабочего сопла, что способствует свободному обтеканию потоком торообразной поверхности резонатора по направлению к рабочему соплу со значительным ускорением, обусловленным относительным уменьшением проходного сечения. Дополнительное уменьшение сечения происходит за счет сжатия струи центробежными силами. Скорость потока возрастает, статическая составляющая давления уменьшается. Местное разряжение в резонаторе 9, вызывающее избыточный приток энергоносителя из входной камеры с проходным сечением S1 через ускорительное сопло 8 с выходным сечением S2, обеспечивает положительную обратную связь между элементами колебательной системы, состоящей из входной камеры 7, ускорительного сопла 8 и резонатора 9, и источником энергии (подводящей магистралью энергоносителя с постоянным давлением, заканчивающейся патрубком 2). В начальной фазе периода колебаний давление во входной камере 7 уменьшается на величину, пропорциональную приращению кинетической энергии потока (отношению выходного и входного сечений ускорительного сопла) и отношению объемов резонатора и входной камеры.At the beginning of the cycle (it is more convenient to carry out the reading from point A on the time axis - see Fig. 3), the pressure P a in the
За счет сил вязкого трения в среде энергоносителя первичный поток увлекает в вихревое вращение весь газ во внутреннем объеме резонатора, что в совокупности с избыточным притоком энергоносителя возбуждает вторичный поток (переменную составляющую амплитудного значения расхода энергоносителя). Этот вторичный поток не проходит через буферную камеру в рабочее сопло, а отклоняется внешним конусом 18 стакана 3 в направлении ускорительного сопла 8. При движении вторичного потока (кинетическая энергия которого пропорциональна приращению кинетической энергии основного потока на пути EN от ускорительного сопла до входа в буферную камеру) от входного сопла 17 буферной камеры к ускорительному соплу 8 у самой кромки сопла 17 происходит его сжатие, а затем расширение, торможение, повышение плотности газа и статической составляющей давления, которое компенсирует ранее возникшее падение давления в камере резонатора. Due to the viscous friction forces in the energy medium, the primary stream carries all the gas in the internal volume of the resonator into the vortex rotation, which, together with the excess energy supply, excites the secondary stream (a variable component of the amplitude value of the energy carrier flow). This secondary stream does not pass through the buffer chamber into the working nozzle, but is deflected by the outer cone 18 of the cup 3 towards the
Ввиду начального движения массы энергоносителя в резонаторе по дуге окружности падение давления в объеме резонатора происходит по синусоидальному закону, а рост давления в конечной фазе периода колебаний происходит по линейной закономерности в зависимости от величины угла β между образующей внешнего конуса 18 и образующей внутреннего конуса 19, а также от длины L1 образующей конуса 18. В результате этого достигается отклонение характера изменения кинетической энергии вторичного потока от гармонического, т.е. время снижения давления в полости резонатора превышает время его роста, обеспечивая форму импульса, близкую к пилообразной, с крутым фронтом роста давления в резонаторе (соответствует времени t2) и скорости на выходе из рабочего сопла в начальной фазе периода колебаний (Зисман, Тодес "Курс общей физики", М., 1969 г., часть IV, стр. 262:295). На диаграмме, приведенной на фиг.3, отражена временная зависимость изменения амплитуды давления в резонаторе Р.In view of the initial motion of the energy carrier mass in the resonator along an arc of a circle, the pressure drop in the resonator volume occurs according to a sinusoidal law, and the pressure increases in the final phase of the oscillation period according to a linear regularity depending on the angle β between the generatrix of the outer cone 18 and the generatrix of the
Время периода колебаний Т образовано временем t1 обтекания первичным потоком поверхности EN резонатора и временем t2 движения вторичного потока вдоль образующей конуса 18 с длиной L1. Точка А соответствует времени прохождения акустического импульса, возникающего в момент взаимного торможения потоков. Среднее значение давления в резонаторе обозначено как Pp. Соответственно, Pa - амплитудное значение давления, а Рм - минимальное давление, обеспечиваемое буферной камерой. Для обеспечения эффекта увеличения крутизны переднего фронта импульса величина отношения t1/t2 должно быть не меньше 1,5, как и величина отношения длины EN образующей резонатора и длины L1 конуса 18 (поскольку средние скорости движения потоков на этих участках одинаковы по модулю).The time of the oscillation period T is formed by the time t 1 flowing around the primary surface of the resonator EN and the time t 2 of the secondary flow along the generatrix of the cone 18 with a length L 1 . Point A corresponds to the transit time of the acoustic pulse arising at the moment of mutual deceleration of the flows. The average pressure in the resonator is denoted as P p . Accordingly, P a is the amplitude value of the pressure, and P m is the minimum pressure provided by the buffer chamber. To ensure the effect of increasing the steepness of the leading edge of the pulse, the value of the ratio t 1 / t 2 should be no less than 1.5, as well as the ratio of the length EN of the generatrix of the resonator and the length L 1 of the cone 18 (since the average velocities of the flows in these sections are the same in absolute value) .
Давление подпора Рм в буферной камере 10 предотвращает возможный проскок воздуха из подсопловой камеры 22 в полость резонатора 9 (сердцевина которого занята зоной с пониженным давлением) и обеспечивает тем самым приток газа в эту полость только через ускорительное сопло (через сечение S2).The back-up pressure P m in the buffer chamber 10 prevents the possible leakage of air from the sub-nozzle chamber 22 into the cavity of the resonator 9 (the core of which is occupied by the zone with reduced pressure) and thereby ensures the flow of gas into this cavity only through the accelerating nozzle (through section S 2 ).
Угол α, а также отношение площади сечения S2 ускорительного сопла 8 и S1 входного сопла 17 буферной камеры 10 выбираются и регулируются перемещением воронки так, чтобы вторичный поток, к моменту достижения им ускорительного сопла, обладал кинетической энергией, соизмеримой с кинетической энергией первичного потока энергоносителя в ускорительном сопле, а проекция суммарного вектора скоростей встречных потоков на ось ВС сопловой щели ускорительного сопла была близка нулю или направлена в сторону входной камеры 7.The angle α, as well as the ratio of the cross-sectional area S 2 of the accelerator nozzle 8 and S 1 of the inlet nozzle 17 of the buffer chamber 10, are selected and controlled by moving the funnel so that the secondary stream, by the time it reaches the accelerator nozzle, has kinetic energy comparable with the kinetic energy of the primary stream energy carrier in the accelerator nozzle, and the projection of the total velocity vector of oncoming flows onto the BC axis of the nozzle slit of the accelerator nozzle was close to zero or directed toward the
В самом конце периода (время t2) вторичный поток, еще не растративший всей своей кинетической энергии, двигаясь навстречу ослабевшему (за счет падения давления во входной камере) первичному потоку в ускорительном сопле, взаимным торможением обоих потоков, усиленным синхронным притоком энергоносителя через входной патрубок 2, вызывает повышение давления во входной камере до значения Рa, которое в виде акустической бегущей волны со скоростью звука распространяется вдоль торообразной поверхности резонатора в направлении рабочего сопла и далее вдоль истекающей струи в сторону снижения плотности среды. Этому моменту соответствуют максимальный подъем давления во всем объеме головки раздува и максимальная скорость потока энергоносителя в рабочем сопле.At the very end of the period (time t 2 ), the secondary stream, which has not yet squandered all of its kinetic energy, moving towards the weakened (due to the pressure drop in the inlet chamber) primary stream in the accelerator nozzle, the mutual braking of both streams, enhanced by the synchronous influx of energy through the inlet pipe 2 causes an increase in pressure in the inlet chamber to a value of P a , which in the form of an acoustic traveling wave with the speed of sound propagates along the toroidal surface of the resonator in the direction of the working nozzle and further along the flowing stream towards a decrease in the density of the medium. This moment corresponds to the maximum pressure rise in the entire volume of the blowing head and the maximum flow rate of the energy carrier in the working nozzle.
Вслед за этим начинается новый колебательный цикл. Following this, a new oscillatory cycle begins.
Таким образом, частота вынужденных колебаний генератора обусловлена однократным обходом переменным потоком энергоносителя образующей поверхности резонатора с общей длиной Σ≈EN+L1. При этом вектор скорости (циркуляции) потока все время находится в плоскости, проходящей через ось OU головки раздува.Thus, the frequency of forced oscillations of the generator is due to a single bypass of the generatrix of the resonator surface with a total length Σ≈EN + L 1 by an alternating energy carrier flow. In this case, the flow velocity (circulation) vector is always in the plane passing through the axis OU of the blowing head.
Положительная обратная связь в колебательной системе дутьевой головки обусловлена относительным изменением статической составляющей полного давления в резонаторе и входной камере. Коэффициент обратной связи зависит от соотношения проходных сечений ускорительного сопла и величины объемов, сообщающихся через это сопло. В любой колебательной системе, начиная с определенного значения коэффициента обратной связи, обеспечивающего приток энергии, достаточный для возбуждения автоколебаний, дальнейшее увеличение его значения приводит к снижению КПД генератора колебаний. Как правило, величина коэффициента лежит в диапазоне 0,1:0,6. Такое же соотношение (с учетом объема ускорительного сопла) необходимо обеспечить между объемами резонатора и входной камеры. The positive feedback in the oscillatory system of the blower head is due to the relative change in the static component of the total pressure in the resonator and inlet chamber. The feedback coefficient depends on the ratio of the flow cross sections of the accelerating nozzle and the volume of volumes communicating through this nozzle. In any oscillatory system, starting from a certain value of the feedback coefficient, which provides an influx of energy sufficient to excite self-oscillations, a further increase in its value leads to a decrease in the efficiency of the oscillator. As a rule, the coefficient value lies in the range of 0.1: 0.6. The same ratio (taking into account the volume of the accelerating nozzle) must be ensured between the volumes of the resonator and the inlet chamber.
Увеличение сечения S1 входной камеры 7 по отношению к сечению So входного патрубка 2 способствует повышению давления во входной камере и снижению величины коэффициента обратной связи, что повышает КПД акустического генератора. Как и превышение площади сечения S2 ускорительного сопла над сечением входного патрубка, оно обеспечивает исключение из колебательного процесса объема магистрального трубопровода, выполняемое с целью устранения влияния первых низкочастотных гармоник на частоту вынужденных колебаний, генерируемых резонатором. Превышение площади сечения S1 входной камеры над сечением S2 ускорительного сопла необходимо для обеспечения оптимальных условий обтекания первичным потоком поверхности резонатора и внутреннего ребра ускорительного сопла, образованного пересечением конуса 18 и внутренней поверхности 16 сопла 8. Обтекание выпуклого внутреннего ребра ускорительного сопла первичным потоком (подобное обтеканию крыла самолета) создает за ребром начальную зону пониженного давления, а дальнейшее обтекание потоком торообразной поверхности резонатора увеличивает эту зону до размера L1 всего внешнего конуса 18 стакана 3. Величина отношения длины образующего контура EN резонатора к длине L1 образующей конуса 18 не должна превышать 2/1, т.к. дальнейшее увеличение приводит к непропорциональному росту объема резонатора и снижению энергии вторичного потока и, в конечном итоге, к снижению частоты автоколебаний до уровня резонансной. Таким образом, диапазон изменения этого отношения находится в пределах от 1,5 до 2. Соблюдению этого диапазона способствует ограничение центрального угла ω образующей дуги резонатора пределом от 120 до 210o, обеспечивающим, кроме того, необходимый диапазон изменения углов α и β.
Угол β между образующими внешнего конуса 18 и внутреннего конуса 19 стакана 3 должен быть больше 30o и меньше 90o, исходя из условий эффективного отклонения вторичного потока в сторону ускорительного сопла без его существенного торможения и повышения статической составляющей давления в зоне пересечения конусов.The increase in the cross section S 1 of the
The angle β between the generators of the outer cone 18 and the
Работоспособность генератора зависит также от величины угла α и числа Рейнольдса (Re), характеризующего степень турбулентности потока. Для возбуждения акустических автоколебаний с частотой, обусловленной однократным обходом потоком периметра резонатора, необходим отрыв первичного потока от поверхности внутреннего конуса с образованием начальной области противотока за внутренним ребром ускорительного сопла. Такую область обеспечивает угол α <150o, при условии малой степени турбулентности (без отрыва ламинарного пограничного слоя), что характерно для величины Re в диапазоне от 105 до 1,9-105 при условном диаметре проходного сечения не более 5•10-2м и малой величине шероховатости обтекаемой поверхности(В.П. Исаченко и др. "Теплопередача", М. , 1975 г. , п.9.1, стр. 222; "Справочник машиностроителя", T.1, 1954 г., раздел Газодинамика).The operability of the generator also depends on the angle α and the Reynolds number (Re), which characterizes the degree of flow turbulence. To excite acoustic self-oscillations with a frequency due to a single bypass of the perimeter of the resonator by a stream, it is necessary to separate the primary stream from the surface of the inner cone with the formation of the initial countercurrent region behind the inner edge of the accelerator nozzle. An angle α <150 ° provides such a region, provided that a small degree of turbulence occurs (without separation of the laminar boundary layer), which is typical for the value of Re in the range from 10 5 to 1.9-10 5 with a conditional diameter of the passage section not exceeding 5 • 10 - 2 m and a small roughness of the streamlined surface (V.P. Isachenko et al. "Heat Transfer", M., 1975, p. 9.1, p. 222; "Machine Builder's Guide", T.1, 1954, section Gas dynamics).
Поскольку число Re определяется как
Re = W•D/μ, где
W - скорость потока, м/с;
D - условный диаметр, м;
μ - кинематический коэффициент вязкости, м2/с,
можно преобразовать это выражение применительно к сечению S2 ускорительного сопла с учетом того, что W=G/S2, где
G - эффективный объемный расход энергоносителя, м2/с,
Преобразуя исходное выражение для Re получим
Таким образом, исходя из выбранного диапазона Re при использовании в качестве энергоносителя воздуха с температурой до 50oС можно определить границы величины сечения ускорительного сопла как
S2 = (0,42:0,11)G2, м2.Since the number Re is defined as
Re = W • D / μ, where
W is the flow velocity, m / s;
D is the conditional diameter, m;
μ is the kinematic viscosity coefficient, m 2 / s,
this expression can be transformed with reference to the cross section S 2 of the accelerator nozzle, taking into account the fact that W = G / S 2 , where
G is the effective volumetric flow rate of the energy carrier, m 2 / s,
Transforming the original expression for Re we get
Thus, based on the selected range of Re when using air with a temperature of up to 50 o C as an energy carrier, it is possible to determine the boundaries of the cross section of the accelerator nozzle as
S 2 = (0.42: 0.11) G 2 , m 2 .
Одним из условий образования в резонаторе вихревой трубки с контролируемым значением амплитуды падения давления, не приводящим к проскоку воздуха из подсопловой камеры, является условие S2>S3. В этом случае дополнительный приток газа при падении давления в резонаторе происходит из входной камеры, т. е. из зоны повышенного давления за сечением ускорительного сопла, обладающего меньшим газодинамическим сопротивлением, чем сумма сопротивлений буферной камеры и рабочего сопла. Оптимальное значение отношения S3/S2=k=0,2: 0,6 зависит от температуры расплава, его химического состава, степени гомогенизации и плавно подбирается путем перемещения воронки 5 по резьбе вдоль оси OU дутьевой головки.One of the conditions for the formation of a vortex tube in the resonator with a controlled value of the pressure drop amplitude, which does not lead to air leakage from the sub-nozzle chamber, is the condition S 2 > S 3 . In this case, an additional gas influx when the pressure in the cavity drops, comes from the inlet chamber, i.e., from the increased pressure zone behind the cross section of the accelerator nozzle, which has lower gas-dynamic resistance than the sum of the resistances of the buffer chamber and the working nozzle. The optimal value of the ratio S 3 / S 2 = k = 0.2: 0.6 depends on the temperature of the melt, its chemical composition, degree of homogenization and is smoothly selected by moving the funnel 5 along the thread along the OU axis of the blower head.
Уменьшение k до значения менее 0,2 при соблюдении вышеоговоренных условий ограничения размеров S1 и сохранении исходного давления в магистрали энергоносителя приведет к значительному уменьшению расхода энергоносителя и скорости потока в сечении ускорительного сопла, при котором нарушится условие обтекания потоком кромки этого сопла, т.к. не будет ощутимого отрыва ламинарного потока от конуса у внутреннего ребра ускорительного сопла. Кроме того, величины скорости потока будет недостаточно для ощутимого снижения статической составляющей общего давления на входе в резонатор и возникновения вторичного потока. Генерация колебаний в этом случае отсутствует.A decrease in k to a value of less than 0.2, subject to the above-mentioned conditions for limiting the sizes of S 1 and maintaining the initial pressure in the energy carrier line, will lead to a significant decrease in the energy carrier consumption and flow rate in the cross section of the accelerator nozzle, which violates the condition for the stream to flow around the edge of this nozzle, because . there will be no noticeable separation of the laminar flow from the cone at the inner edge of the accelerating nozzle. In addition, the magnitude of the flow velocity will not be enough to significantly reduce the static component of the total pressure at the inlet to the resonator and the occurrence of the secondary flow. Generation of oscillations in this case is absent.
При увеличении k до значения, превышающего 0,6, и сохранении исходного давления в магистрали скорость потока в резонаторе существенно возрастает, что приводит к снижению статической составляющей давления в резонаторе до величины, соизмеримой с давлением воздуха в подсопловой камере. При этом кинетическая энергия динамического давления первичного потока, проходящего через резонатор, значительно превышает кинетическую энергию вторичного потока, который уже не может существенно затормозить первичный поток и нарушить структуру зарождающейся вихревой трубки. Таким образом, снижение статической составляющей давления и пропорциональное ему повышение динамического давления в сечении ускорительного сопла приводят к прекращению периодической "отсечки" первичного потока и изменению механизма образования автоколебаний, частота которых начинает определяться частотой собственных колебаний акустических объемов резонатора и ускорительного сопла, т.е. приближается к резонансной частоте, при которой амплитуда колебаний резко увеличивается, и возникают условия, благоприятные для проскока в резонатор из воздуха подсопловой камеры. With increasing k to a value in excess of 0.6, and maintaining the initial pressure in the line, the flow velocity in the resonator increases significantly, which leads to a decrease in the static component of the pressure in the resonator to a value commensurate with the air pressure in the sub-nozzle chamber. In this case, the kinetic energy of the dynamic pressure of the primary stream passing through the resonator significantly exceeds the kinetic energy of the secondary stream, which can no longer significantly slow down the primary stream and disrupt the structure of the incipient vortex tube. Thus, a decrease in the static pressure component and an increase in the dynamic pressure proportional to it in the cross section of the accelerator nozzle lead to the cessation of the periodic “cut-off” of the primary flow and to a change in the mechanism of the formation of self-oscillations, the frequency of which begins to be determined by the frequency of natural oscillations of the acoustic volumes of the resonator and the accelerator nozzle, i.e. approaching the resonant frequency, at which the amplitude of the oscillations increases sharply, and conditions arise favorable for the passage into the resonator from the air of the sub-nozzle chamber.
Оптимальная величина угла α лежит в диапазоне от 120 до 140o. При этом создаются наилучшие условия обтекания первичным потоком внутреннего ребра ускорительного сопла и торообразной поверхности резонатора, а также взаимного торможения соизмеримых по кинетической энергии встречных потоков при их пересечении.The optimal angle α lies in the range from 120 to 140 o . In this case, the best conditions are created for the primary stream to flow around the inner edge of the accelerating nozzle and the toroidal surface of the resonator, as well as the mutual braking of the counter flows comparable in kinetic energy when they cross.
Частота вынужденных колебаний f в этом диапазоне величины угла α определяется временем однократного обхода потоком энергоносителя периметра резонатора
f=W/Σ, с-1 , где
W - средняя скорость потока, м/с.The frequency of the forced oscillations f in this range of the angle α is determined by the time of a single round-trip of the resonator perimeter by the energy carrier flow
f = W / Σ, s -1 , where
W is the average flow velocity, m / s.
W=G(S2+S3)/2S2•S3, или обозначая S3/S2=k, получим
W=G(k+l)/2S2•k;
Σ - длина периметра поперечного сечения камеры резонатора, м;
Σ ≈EN+L1
Σ≈2R(1/sinγ+ctgγ+π/2),
где
R - радиус кривизны образующей дуги торообразной поверхности, м;
γ - угол между образующей конуса 18 и осью ВС щели ускорительного сопла.W = G (S 2 + S 3 ) / 2S 2 • S 3 , or denoting S 3 / S 2 = k, we obtain
W = G (k + l) / 2S 2 • k;
Σ is the length of the perimeter of the cross section of the resonator chamber, m;
Σ ≈EN + L 1
Σ≈2R (1 / sinγ + ctgγ + π / 2),
Where
R is the radius of curvature of the arc forming a toroidal surface, m;
γ is the angle between the generatrix of the cone 18 and the axis of the BC of the slit of the accelerating nozzle.
После преобразования окончательно получаем
При уменьшении угла α от 120 до 90o проекция на ось ВС щели ускорительного сопла суммарного вектора скорости первичного и вторичного потоков в точке их встречи X получает направление, совпадающее с направлением вектора скорости первичного потока, что устраняет одно из условий взаимного торможения потоков и приводит, как и в случае повышения коэффициента k более 0,6, к приближению частоты акустических колебаний к резонансной частоте fp, определяемой из выражения
где а - скорость звука в среде энергоносителя, м/с;
Vc - полный объем ускорительного сопла, м3;
Vp - объем резонатора, м3
(Бошняк "Измерения при теплотехнических исследованиях". Л., 1974 г., п. 5, стр. 129:135; Яворский, Детлаф "Справочник по физике", М., 1985 г., 1V. 2.3., стр. 276:279).After the conversion, we finally get
When the angle α decreases from 120 to 90 o, the projection on the axis of the slit of the accelerator nozzle of the total velocity vector of the primary and secondary flows at their meeting point X receives a direction that coincides with the direction of the velocity vector of the primary flow, which eliminates one of the conditions for mutual deceleration of flows and leads, as in the case of increasing the coefficient k more than 0.6, to the approximation of the frequency of acoustic vibrations to the resonant frequency fp, determined from the expression
where a is the speed of sound in the energy medium, m / s;
V c is the total volume of the accelerator nozzle, m 3 ;
V p is the volume of the resonator, m 3
(Boshniak, “Measurements in Thermal Engineering Research.” L., 1974, p. 5, p. 129: 135; Yavorsky, Detlaf “Handbook of Physics,” M., 1985, 1V. 2.3., P. 276 : 279).
При этом частота собственных колебаний значительно ниже частоты вынужденных колебаний, а амплитуда собственных колебаний, обратно пропорциональная квадрату частоты, значительно выше, чем у резонатора с принудительной отсечкой потока, что неприемлемо для использования такого генератора в дутьевой головке при раздуве перегретых расплавов в супертонкое волокно. In this case, the frequency of natural oscillations is much lower than the frequency of forced oscillations, and the amplitude of natural oscillations, inversely proportional to the square of the frequency, is significantly higher than that of a cavity with forced flow cutoff, which is unacceptable for using such a generator in a blasting head when blowing superheated melts into a superthin fiber.
Буферная камера 10 отделяет зону резкого снижения давления, расположенную в непосредственной близости к рабочему соплу, от области местного повышения давления у ребра, образованного пересечением внешнего 18 и внутреннего 19 конуса стакана, способствуя созданию статического давления подпора за счет превышения входного сечения S3 буферной камеры над сечением S5 рабочего сопла 11 в 1,2:1,5 раза, препятствуя тем самым возникновению условий проскока воздуха из подсопловой камеры 22 в резонатор 9. Длина L2 буферной камеры, исходя из условия выравнивания входящего в камеру потока, должна превышать ширину кольцевого канала Δ буферной камеры по крайней мере в 2 раза. При этом статическая составляющая общего давления в буферной камере, при условии возбуждения в резонаторе вынужденных колебаний, превышает давление в подсопловой камере по крайней мере на величину Рм,
где ρ - плотность энергоносителя, кг/м3.The buffer chamber 10 separates the zone of sharp pressure reduction, located in close proximity to the working nozzle, from the area of local pressure increase at the rib formed by the intersection of the outer 18 and inner 19 cones of the glass, contributing to the creation of a static back pressure due to the excess of the inlet section S 3 of the buffer chamber over the cross-section S 5 of the working nozzle 11 is 1.2: 1.5 times, thereby preventing the occurrence of air leakage from the sub-nozzle chamber 22 into the
where ρ is the energy density, kg / m 3 .
Выражая площадь входного сечения буферной камеры через площадь рабочего сопла как S3=(1,2:1,5)S5, получим окончательно
Ступенчатая проточка 20 в корпусе стакана, увеличивающая в 3 и более раз площадь поперечного сечения S7 подсопловой камеры 22 и пересекающая область касания струи расплава потоком энергоносителя на минимальном расстоянии h от сопла 11, обеспечивает кавитационный разрыв струи расплава в малом объеме, сосредоточенном в непосредственной близости к кромке волокнообразующего сопла 21, где на струю одновременно воздействует сконцентрированный в эту область модулированный поток энергоносителя и мощная вихревая трубка, возникающая за плоскостью расширения подсопловой камеры и пульсирующая синхронно с пульсацией потока энергоносителя. Таким образом, отделяющиеся от струи при ее кавитационном разрыве фрагменты расплава сразу попадают внутрь вторичного акустического резонатора, где подвергаются активному воздействию волн звуковой частоты, способствующих процессу релаксации частиц вязкого (остывающего) расплава при вытяжке волокон.Expressing the area of the input section of the buffer chamber through the area of the working nozzle as S 3 = (1.2: 1.5) S 5 , we finally obtain
A stepped
Ступенчатое расширение подсопловой камеры наиболее эффективно снижает скорость потока на выходе из головки. При этом общая потеря давления в газоструйной системе вдвое меньше, чем, например, у конических диффузоров с углом раскрытия 40o (Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. М. 1967 г., гл. 3, раздел 10), что объясняется наличием за ступенью вихревой зоны разряжения, способствующей проталкиванию объема воздуха через диффузор без воздействия дополнительного давления на входе в подсопловую камеру. Резкое расширение сечения подсопловой камеры также способствует снижению избыточного давления в непосредственной близости от рабочего сопла при разогреве энергоносителя расщепленной массой расплава и, как следствие, компенсирует возможное уменьшение эжекции и даже выброс расплава навстречу его движению, а также рост скорости дозвукового потока в прямом направлении при его разогреве и совершаемой им дополнительной работе (эжекция), происходящий в трубах постоянного сечения (Кириллин В. А. и др. "Техническая термодинамика" 1983 г., гл. 8, раздел 8.6).The stepwise expansion of the sub-nozzle chamber most effectively reduces the flow rate at the outlet of the head. In this case, the total pressure loss in the gas-jet system is half that of, for example, conical diffusers with an opening angle of 40 o (Kalinushkin MP Fan installations. M. 1967, chap. 3, section 10), which is explained by the presence of stage of the vortex discharge zone, contributing to pushing the air volume through the diffuser without the influence of additional pressure at the inlet to the sub-nozzle chamber. A sharp expansion of the sub-nozzle chamber cross section also helps to reduce excess pressure in the immediate vicinity of the working nozzle when the energy carrier is heated by the split mass of the melt and, as a result, compensates for a possible decrease in ejection and even ejection of the melt towards its movement, as well as an increase in the speed of the subsonic flow in the forward direction when it is heating and the additional work that he does (ejection), which takes place in tubes of constant cross-section (V. Kirillin et al. "Technical Thermodynamics" 1983, Ch. 8, ra Interior 8.6).
Отбойный выступ 15, расположенный на пути скоростного потока, способствует интенсивному охлаждению наиболее уязвимой кромки воронки, а также препятствует проскоку воздуха вместе с расплавом внутрь резонатора, направляя поток энергоносителя к ребру волокнообразующего сопла, отделяя им струю расплава от поверхности внутреннего конуса стакана и перекрывая тем самым вход в рабочее сопло. За торцом 23 отбойного выступа 15 создается зона турбулентного вихря с пониженным давлением, обеспечивающая контакт расплава со скоростным потоком в непосредственной близости от рабочего сопла и ребра волокнообразующего сопла 21. Периодический срыв турбулентного вихря происходит с частотой, величина которой определяется числом Струхаля, и пропорциональна скорости потока, обратно пропорциональна радиусу кривизны ребра отбойного выступа и составляет не менее 20 кГц (В. П. Исаченко и др. "Теплопередача", М. , 1975 г., стр. 222). Ультразвуковое излучение модулируется несущей частотой пульсации потока и обеспечивает комплексное воздействие на расплав обоих механизмов кавитации - диффузного и декомпрессионного, что в сочетании с действием ступенчатой проточки 20 создает в ограниченном пространстве, прилегающем к ребру сопла 21, необходимую степень расщепления струи расплава и требует минимальных затрат энергии. The fender protrusion 15, located on the path of the high-speed flow, promotes intensive cooling of the most vulnerable edge of the funnel, and also prevents the air from flowing along with the melt into the cavity, directing the energy carrier flow to the edge of the fiber-forming nozzle, separating the melt stream from the surface of the inner cone of the glass and thereby blocking entrance to the working nozzle. Behind the
Расстояние h от торца ступенчатой проточки 20 до торца 23 отбойного выступа 15 не должно превышать половины расстояния Н от торца 23 до точки М - точки пересечения образующей внутреннего конуса стакана и образующей отбойного выступа, что гарантирует прямой контакт расплава с высокоскоростным потоком энергоносителя в зоне ультразвукового облучения и максимальной скорости потока. The distance h from the end face of the stepped
Это позволяет более полно использовать кинетическую энергию потока энергоносителя для вытяжки волокон, т.е. для создания динамического давления на струю расплава и зародыши волокон без завышения рабочего давления в полости дутьевой головки, что в совокупности с эффективным снижением скорости в зоне торможения за торцом проточки 20 ограничивает факел раздува на выходе из головки двумя метрами при рабочем давлении 0,25:0,35 МПа и объемном расходе не более 5,5 м3/мин (качественная сепарация крупных неволокнистых включений на таком расстоянии, без ухудшения качества минераловатного холста, возможна при использовании горизонтального потока наддува в камере волокноосаждения со скоростью не более 20 м/с).This makes it possible to more fully use the kinetic energy of the energy carrier flow to draw fibers, i.e. to create dynamic pressure on the melt stream and the fiber nucleus without overstating the working pressure in the cavity of the blasting head, which, together with an effective reduction in speed in the braking zone behind the end face of the
Все элементы предлагаемого устройства испытаны как в отдельности, так и комплексно. Устройство по данной заявке успешно эксплуатируется при производстве базальтового супертонкого волокна по ГОСТ 4640-93 на ФГУП "Лианозовский электромеханический завод" с 1997 года по настоящее время. All elements of the proposed device are tested both individually and comprehensively. The device according to this application is successfully used in the production of super thin basalt fiber in accordance with GOST 4640-93 at the Federal State Unitary Enterprise "Lianozovsky Electromechanical Plant" from 1997 to the present.
Один из возможных режимов эксплуатации, обеспечивающий производительность не менее 20 кг/ч базальтового волокна при наличии неволокнистых включений (с размером не более 0,2 мм) не более 3% и предусматривающий использование в качестве энергоносителя холодного воздуха с относительной влажностью от 30 до 60%, требует давления воздуха в подводящей магистрали от 0,25 до 0,35 МПа с объемным расходом от 4,8 до 5,3 м3/мин. Длина факела раздува при этом режиме не превышает двух метров. Средний диаметр волокна не превышает 1 мкм, а средняя длина волокна лежит в пределах от 15 до 20 мм при общих колебаниях длины от 1,5 до 100 мм.One of the possible operating modes, providing a productivity of at least 20 kg / h of basalt fiber in the presence of non-fibrous inclusions (with a size of not more than 0.2 mm) of not more than 3% and involving the use of cold air as a energy carrier with a relative humidity of 30 to 60% , requires air pressure in the supply line from 0.25 to 0.35 MPa with a volume flow of 4.8 to 5.3 m 3 / min. The length of the blow torch in this mode does not exceed two meters. The average fiber diameter does not exceed 1 μm, and the average fiber length lies in the range from 15 to 20 mm with general length fluctuations from 1.5 to 100 mm.
Несущая частота акустических колебаний составляет 2,5:3 кГц при
R=(7:9)•10-3, м;
S2 =(0,18:0,19)•G2, м2;
k=0,25:0,3;
γ =40o.The carrier frequency of acoustic vibrations is 2.5: 3 kHz at
R = (7: 9) • 10 -3 , m;
S 2 = (0.18: 0.19) • G 2 , m 2 ;
k = 0.25: 0.3;
γ = 40 o .
Уровень звукового давления не превышает при этом 76 дБ. The sound pressure level does not exceed 76 dB.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002103856A RU2215702C1 (en) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | Blowing head |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002103856A RU2215702C1 (en) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | Blowing head |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002103856A RU2002103856A (en) | 2003-10-10 |
| RU2215702C1 true RU2215702C1 (en) | 2003-11-10 |
Family
ID=32027413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002103856A RU2215702C1 (en) | 2002-02-18 | 2002-02-18 | Blowing head |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2215702C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2531123C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Комплект" | Fibre-forming device |
-
2002
- 2002-02-18 RU RU2002103856A patent/RU2215702C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2531123C1 (en) * | 2013-08-27 | 2014-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Комплект" | Fibre-forming device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4041984A (en) | Jet-driven helmholtz fluid oscillator | |
| CN108722694A (en) | A kind of supersonic jet oscillator | |
| WO2021259349A1 (en) | Air-assisted electrostatic ultrasonic atomization spray nozzle and method | |
| RU2287118C1 (en) | Method for liberation of energy by means of rotary-translational motion of liquid and device for conversion and liberation of energy in liquid media | |
| Greco et al. | On the behaviour of impinging zero-net-mass-flux jets | |
| US4473187A (en) | Apparatus for atomizing liquids | |
| WO2012092688A1 (en) | Self-excitation oscillation jet impact nozzle for complex fluid atomization | |
| CN105435976B (en) | A kind of self-oscillation gas jet assisted atomization device | |
| Li et al. | Influence of glow discharge on evolution of disturbance in a hypersonic boundary layer: The effect of first mode | |
| JPS5888136A (en) | Manufacture of fiber | |
| US20180303135A1 (en) | Material processing by controllably generated acoustic effects | |
| JP2009544925A (en) | Flame burner and method for flame treatment of metal surface | |
| US4943007A (en) | Spray generators | |
| RU2215702C1 (en) | Blowing head | |
| JPH11248111A (en) | Method and device for injecting fuel/liquid mixture into combustor of burner | |
| SE541654C2 (en) | Multi-Stage Axial Flow Cyclone Separator | |
| US4468241A (en) | Method and apparatus for fiberizing meltable materials | |
| US3731877A (en) | Apparatus for generating sonic and ultra-sonic vibrations in fluids | |
| US4303430A (en) | Method and apparatus for forming mineral fibers | |
| CN101436402B (en) | Crisscross gas resonance frequency generator | |
| RU2267364C1 (en) | Method of generation of oscillations of a fluid flow and a hydrodynamic generator of the oscillations | |
| US2758335A (en) | Fiber drawing machine and method | |
| RU2789492C1 (en) | Method for generating and modulating pressure waves in an injection wellbore and a device for its implementation | |
| RU2683794C2 (en) | High-intensity audio generator | |
| RU2089796C1 (en) | Method and device for manufacture of artificial snow |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070219 |