RU2390386C1

RU2390386C1 - Pneumatic nozzle

Info

Publication number: RU2390386C1
Application number: RU2009106940/12A
Authority: RU
Inventors: Леонид Иванович Мальцев (RU); Леонид Иванович Мальцев; Игорь Вадимович Кравченко (RU); Игорь Вадимович Кравченко; Антон Игоревич Кравченко (RU); Антон Игоревич Кравченко; Владимир Евгеньевич Самборский (RU); Владимир Евгеньевич Самборский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Завод стеновых блоков"
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-05-27

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering and is intended for spraying of liquids and suspensions, for instance coal-water fuel (CWF). Pneumatic nozzle comprises body with inner circular chamber and nozzle for supply of compressed gas in it, pipe installed along body axis for liquid supply, changing into diffuser. At the end of diffuser there is a circular nozzle arranged in the form of axisymmetric head converging towards body axis, and circular slot gas nozzle at the outlet of circular chamber. Slot gas nozzle is formed by body and external border of circular nozzle. Circular nozzle below gas nozzle has concave shape of border. Pipe for liquid supply is equipped with additional nozzle for adding another liquid to the main liquid for spraying. Circular chamber for compressed gas is equipped with additional nozzle for supply of another gas or stem in it. Nozzles for supply of compressed gas and steam into gas chamber have axes displaced relative to plane of nozzle symmetry, as a result of which gas and steam are tangentially supplied to gas chamber.

EFFECT: pneumatic nozzle with such shape of gas and liquid tracks makes it possible to provide for required dispersion for spraying of both low viscous and high viscous liquids and suspensions without quick wear of equipment with the possibility to spray multi-component mixtures and replacement of working gas for superheated steam, and also with the possibility to control dimensions of gas-drop torch.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распыливания жидкостей и суспензий, например водоугольного топлива (ВУТ).The invention relates to energy and is intended for spraying liquids and suspensions, for example, water-coal fuel (VUT).

Известна пневматическая форсунка, в которой струя жидкости вводится в соосный газовый поток [Распыливание жидкостей. / Бородин В.А. и др. - М., 1976]. Принцип работы таких форсунок связан с возникновением на поверхностях раздела жидкости и газа волн, в результате взаимодействия которых с газовым потоком струя жидкости (пленка) распадается на капли.A pneumatic nozzle is known in which a jet of liquid is introduced into a coaxial gas stream [Spraying liquids. / Borodin V.A. and others - M., 1976]. The principle of operation of such nozzles is associated with the occurrence of waves on the interfaces between the liquid and gas, as a result of the interaction of which with the gas stream, the liquid stream (film) breaks up into drops.

Недостатком известной конструкции форсунки является тот факт, что с ростом размера жидкостного сопла и расхода жидкости резко ухудшается качество распыливания.A disadvantage of the known nozzle design is the fact that with an increase in the size of the liquid nozzle and the flow rate of the liquid, the quality of atomization sharply worsens.

Известна также пневматическая форсунка, содержащая корпус с размещенным по оси штоком, жидкостный канал и два газовых канала, расположенных по разные стороны от жидкостного канала, причем жидкостный и газовые каналы переходят сначала соответственно в жидкостное и газовые щелевые сопла, а затем в общую камеру смешения, образованную внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью выходного, выполненного сферическим, торца штока [патент РФ №2106914, B05B 7/02, 1996 г.].Also known is a pneumatic nozzle comprising a housing with an axis-mounted rod, a liquid channel and two gas channels located on opposite sides of the liquid channel, the liquid and gas channels passing first into the liquid and gas slot nozzles, respectively, and then into the common mixing chamber, formed by the inner surface of the housing and the outer surface of the output, made spherical, the end of the rod [RF patent No. 2106914, B05B 7/02, 1996].

В этой форсунке струя жидкости подается в высокоскоростной попутный газовый поток вдоль выпуклой образующей выходного торца штока. В силу эффекта Коанда струя жидкости прилегает к стенкам штока. Свободная граница такой струи неустойчива (неустойчивость Тейлора). На поверхности струи образуются продольные ребра. С удалением от сопла высота ребер увеличивается и струя распадается на пластинчатые радиальные струйки. Попутный высокоскоростной газовый поток обдувает каждую пластинчатую струйку жидкости с двух сторон. В силу неустойчивости Гельмгольца струйки распадаются на мелкие капли. Непосредственно у стенки штока размер капель может быть недостаточно малым. Газовый поток, вводимый в камеру смешения через внутреннее газовое сопло, производит дополнительное измельчение капель.In this nozzle, a liquid stream is supplied to a high-speed associated gas stream along the convex generatrix of the outlet end of the rod. Due to the Coanda effect, the liquid jet adheres to the walls of the stem. The free boundary of such a jet is unstable (Taylor instability). On the surface of the jet, longitudinal ribs are formed. With increasing distance from the nozzle, the height of the ribs increases and the jet disintegrates into lamellar radial streams. Associated high-speed gas flow blows through each lamellar stream of liquid from two sides. Due to Helmholtz instability, trickles break up into small drops. Directly at the stem wall, the droplet size may not be small enough. The gas stream introduced into the mixing chamber through the internal gas nozzle produces additional grinding of the droplets.

В такой форсунке ширина кольцевых, газовых и жидкостного сопл должна быть достаточно малой, а скорости потоков большими. В случаях использования форсунки для распыливания сильно вязких жидкостей в силу наличия узких щелей в конструкции форсунки требуются высокие давления для прокачки жидкостей. Кроме того, такие форсунки быстро изнашиваются, если их используют для распыливания суспензий, содержащих твердые абразивные частицы.In such a nozzle, the width of the annular, gas, and liquid nozzles should be sufficiently small, and the flow velocities large. In cases where a nozzle is used to spray highly viscous liquids due to the presence of narrow gaps in the nozzle design, high pressures are required for pumping liquids. In addition, such nozzles wear out quickly if they are used to spray suspensions containing solid abrasive particles.

Таким образом, недостатками известной форсунки являются невысокая эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий и ее быстрый износ.Thus, the disadvantages of the known nozzles are low efficiency in the spraying of viscous liquids and suspensions and its rapid wear.

Известна также пневматическая форсунка [патент РФ №2015347, E21F 5/04, 1991 г.], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса с возможностью осевого перемещения трубу для подачи жидкости, на торце которой расположен распыливающий насадок, выполненный в виде конического диффузора, установленного на выходе из трубы для подачи жидкости, и усеченного конуса, закрепленного внутри диффузора с помощью продольной пружины, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и эластичной кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости.Also known is a pneumatic nozzle [RF patent No. 2015347, E21F 5/04, 1991], comprising a housing with a nozzle for supplying compressed gas, mounted along the axis of the housing with the possibility of axial movement of the pipe for supplying liquid, at the end of which there is a spray nozzle made in the form of a conical diffuser installed at the outlet of the fluid supply pipe and a truncated cone fixed inside the diffuser by means of a longitudinal spring, and an air nozzle formed by a protrusion on the inner wall of the housing and an elastic annular casing on the pipe for supplying fluid.

В этой форсунке жидкая струя, вытекающая из щелевого конического сопла, сталкивается с набегающим под углом газовым потоком и разбрызгивается на капли. Эффективное распыливание жидкой струи происходит только при высоких скоростях и газового, и жидкостного потоков. Следовательно, недостатком известной форсунки является недостаточная эффективность при распылении вязких жидкостей и суспензий. Кроме того, конструкция разбрызгивающего устройства, в тех случаях, когда жидкость содержит абразивные частицы, не исключает быстрого износа стенок щелевого жидкостного сопла.In this nozzle, a liquid jet flowing out of a slotted conical nozzle collides with a gas flow running at an angle and is sprayed onto droplets. Effective atomization of a liquid stream occurs only at high speeds of both gas and liquid flows. Therefore, a disadvantage of the known nozzle is the lack of efficiency when spraying viscous liquids and suspensions. In addition, the design of the spray device, in cases where the liquid contains abrasive particles, does not preclude rapid wear of the walls of the slotted liquid nozzle.

Из известных решений наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является пневматическая форсунка [патент РФ №2346756, B05B 7/02, 15.05.2007], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкости, переходящую в диффузор, и газовое сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости. Кольцевую насадку на трубе ниже газового сопла выполняют в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки. За счет конструктивного выполнения струя жидкости растекается тонкой пленкой по стенкам диффузора и пересекает сходящуюся струю газа. В результате их взаимодействия образуется газокапельный поток. Форсунка не содержит узких жидкостных каналов. Уменьшение толщины жидкой пленки происходит за счет ее растекания на стенках диффузора. Поэтому для успешной работы форсунки даже в случае большой вязкости жидкости или суспензии не требуются высокие давления и большие скорости потока жидкости, что предохраняет форсунку от абразивного износа.Of the known solutions, the closest in technical essence to the proposed invention is a pneumatic nozzle [RF patent No. 2346756, B05B 7/02, 05/15/2007] containing a housing with a nozzle for supplying compressed gas, a pipe for supplying liquid installed along the axis of the housing, passing into a diffuser, and a gas nozzle formed by a protrusion on the inner wall of the housing and an annular nozzle on the pipe for supplying liquid. The annular nozzle on the pipe below the gas nozzle is made in the form of a convex head converging to the axis of the housing. Due to the design, the liquid stream spreads with a thin film along the walls of the diffuser and crosses a converging gas stream. As a result of their interaction, a gas-droplet flow is formed. The nozzle does not contain narrow fluid channels. A decrease in the thickness of the liquid film occurs due to its spreading on the walls of the diffuser. Therefore, for the successful operation of the nozzle, even in the case of a high viscosity of the liquid or suspension, high pressures and high flow rates of the liquid are not required, which protects the nozzle from abrasive wear.

Недостатком этой форсунки является тот факт, что при ее работе вдоль выпуклой стенки кольцевой насадки в газовом потоке образуется большой положительный градиент давления, который может вызывать отрыв потока от стенки и подсос рабочей жидкости в зону отрыва. При этом вблизи стенки может возникнуть тороидальный вихрь, порождающий большие скорости потока у стенки. В том случае, если жидкость содержит абразивные частицы, стенки насадки подвергаются абразивному износу.The disadvantage of this nozzle is the fact that when it runs along the convex wall of the annular nozzle in the gas stream, a large positive pressure gradient forms, which can cause the flow to separate from the wall and suction of the working fluid into the separation zone. In this case, a toroidal vortex may arise near the wall, generating large flow velocities near the wall. In the event that the fluid contains abrasive particles, the walls of the nozzle are subject to abrasive wear.

В котле, работающем на ВУТ, разогрев топки котла на начальном этапе осуществляют сжиганием дизельного топлива или мазута, а затем по мере повышения температуры в топке к дизтопливу все более и более подмешивают ВУТ вплоть до выхода на режим работы котла только на ВУТ. Для распыливания дизельного топлива приходится устанавливать в топку дополнительные устройства. Целесообразно функции распылителя дизельного топлива возложить на основную форсунку, однако данная форсунка не обладает такой возможностью.In a VUT-fired boiler, heating of the boiler furnace at the initial stage is carried out by burning diesel fuel or fuel oil, and then, as the temperature in the furnace increases, VUT is more and more mixed up until the boiler enters the operation mode only at VUT. To spray diesel fuel, additional devices must be installed in the furnace. It is advisable to assign the functions of a diesel fuel atomizer to the main nozzle, however, this nozzle does not have such an opportunity.

При использовании пневматической форсунки на парогенерирующих котлах газовый компонент может быть эффективно заменен на перегретый пар после выхода котла на устойчивый режим работы. Данная форсунка также не обладает такой возможностью.When using a pneumatic nozzle on steam generating boilers, the gas component can be effectively replaced with superheated steam after the boiler reaches a stable operating mode. This nozzle also does not have this feature.

К недостаткам данной форсунки нужно отнести также тот факт, что диаметром создаваемой ею газокапельной струи не всегда удается управлять.The disadvantages of this nozzle include the fact that the diameter of the gas-droplet jet created by it cannot always be controlled.

Задачей изобретения является создание пневматической форсунки с такой формой газовых и жидкостных трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования, с возможностью распыливания многокомпонентных смесей и замены рабочего газа на перегретый пар, а также с возможностью управления размерами газокапельного факела.The objective of the invention is to create a pneumatic nozzle with this form of gas and liquid paths, the design of which would provide the desired dispersion of the spraying of both low-viscosity and highly viscous liquids and suspensions without rapid wear of the equipment, with the possibility of spraying multicomponent mixtures and replacing the working gas with superheated steam, and also with the ability to control the size of the gas-droplet torch.

Поставленную задачу решают тем, что в пневматической форсунке, содержащей корпус с внутренней кольцевой камерой и патрубок для подвода в нее сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкости, переходящую в диффузор, на торце которого расположена кольцевая насадка в форме сходящейся к оси корпуса осесимметричной головки, и кольцевое щелевое газовое сопло на выходе из кольцевой камеры, образованное корпусом и наружной границей кольцевой насадки, кольцевой насадке ниже газового сопла придают форму тела с вогнутой границей, например, в виде дуги окружности. Трубу для подачи жидкости оснащают дополнительным патрубком для подмешивания к основной жидкости другой жидкости на распыливание, кольцевую камеру для сжатого газа оснащают дополнительным патрубком для подачи в нее другого газа или пара, причем патрубки для подвода сжатого газа и пара в газовую камеру имеют оси, смещенные относительно плоскости симметрии форсунки, благодаря чему осуществляют тангенциальный подвод газа и пара в газовую камеру.The problem is solved in that in a pneumatic nozzle containing a housing with an inner annular chamber and a nozzle for supplying compressed gas to it, a pipe for supplying liquid installed along the axis of the housing, passing into the diffuser, at the end of which there is an annular nozzle in the form converging to the axis of the housing axisymmetric head, and the annular slotted gas nozzle at the exit of the annular chamber, formed by the housing and the outer boundary of the annular nozzle, the annular nozzle below the gas nozzle is shaped like a body with concave boundaries her, for example, in the form of an arc of a circle. The liquid supply pipe is equipped with an additional nozzle for mixing another liquid into the main liquid for spraying, the annular chamber for compressed gas is equipped with an additional nozzle for supplying another gas or steam to it, and the nozzles for supplying compressed gas and steam to the gas chamber have axes offset relative to nozzle symmetry plane, due to which the tangential supply of gas and steam into the gas chamber is carried out.

Сравнение изобретения с выбранным ближайшим аналогом показало, что пневматическая форсунка имеет существенные отличия в конструкции газового и жидкостного трактов, что позволяет обеспечить нужную дисперсность распыливания как маловязких, так и сильновязких жидкостей и суспензий без быстрого износа оборудования.Comparison of the invention with the selected closest analogue showed that the pneumatic nozzle has significant differences in the design of the gas and liquid paths, which allows to provide the desired dispersion atomization of both low-viscosity and highly viscous liquids and suspensions without rapid wear of the equipment.

При поиске совокупности признаков, тождественных всем признакам заявленного изобретения, в приведенных выше аналогах и других источниках патентной и научно-технической литературы соответствий не обнаружено, что подтверждает соответствие данного изобретения критерию “новизна”.When searching for a combination of features that are identical to all the features of the claimed invention, no matches were found in the above analogues and other sources of patent and scientific and technical literature, which confirms the compliance of this invention with the criterion of “novelty”.

Приведенный ниже пример возможного использования пневматической форсунки демонстрирует соответствие данного изобретения критерию “промышленная применимость”.The following example of the possible use of a pneumatic nozzle demonstrates the compliance of this invention with the criterion of "industrial applicability".

Суть изобретения поясняется чертежом.The essence of the invention is illustrated in the drawing.

На чертеже представлен продольный разрез предложенной форсунки. Форсунка содержит корпус 1 с патрубком 2 для подвода газа и патрубком 3 для подвода пара, трубу 4 для подачи жидкости с патрубком 5 для подвода другой компоненты жидкости, переходящую в диффузорное сопло 6, с кольцевой насадкой 7, формирующей совместно с корпусом форсунки 1 кольцевое газовое сопло 8. Форму образующей кольцевой насадки 7 ниже газового сопла согласно изобретению выполняют в виде вогнутой дуги, например дуги окружности.The drawing shows a longitudinal section of the proposed nozzle. The nozzle contains a housing 1 with a nozzle 2 for supplying gas and a nozzle 3 for supplying steam, a pipe 4 for supplying fluid with a nozzle 5 for supplying another component of the fluid, passing into the diffuser nozzle 6, with an annular nozzle 7, forming together with the nozzle housing 1 an annular gas nozzle 8. The shape of the generatrix of the annular nozzle 7 below the gas nozzle according to the invention is made in the form of a concave arc, for example a circular arc.

Предложенная пневматическая форсунка работает следующим образом.The proposed pneumatic nozzle operates as follows.

Струя газа, вытекающая из сопла 8, движется вдоль вогнутой наружной стенки насадки 7 и образует за пределами форсунки сходящийся вращающийся струйный газовый поток. При этом за счет отрицательной кривизны стенки на стенке образуется повышенное давление и в отличие от прототипа не возникает отрыва потока при всех прочих положительных (с точки зрения распыливания жидкости) эффектах взаимодействия газовой и жидкостной струй. Через дополнительный патрубок на трубе для подвода рабочей жидкости, например ВУТ, производят подмешивание другой компоненты, например дизельного топлива. Через дополнительный патрубок на корпусе форсунки осуществляют параллельно или альтернативно подвод другого газа или пара. В силу того что патрубки для подвода сжатого газа и пара имеют оси, смещенные относительно плоскости симметрии форсунки, патрубки осуществляют тангенциальный подвод газа и пара в газовую камеру, благодаря чему происходит вращение газовой струи на выходе из сопла и увеличение поперечных размеров газокапельного факела.A gas jet flowing from the nozzle 8 moves along the concave outer wall of the nozzle 7 and forms a converging rotating jet gas stream outside the nozzle. In this case, due to the negative curvature of the wall, increased pressure is formed on the wall and, unlike the prototype, there is no separation of the flow with all other positive (from the point of view of liquid spraying) effects of the interaction of gas and liquid jets. Through an additional pipe on the pipe for supplying a working fluid, for example VUT, mix another component, for example diesel fuel. Through an additional pipe on the nozzle body, another gas or steam is supplied in parallel or alternatively. Due to the fact that the nozzles for supplying compressed gas and steam have axes offset from the nozzle symmetry plane, the nozzles tangentially supply gas and steam into the gas chamber, due to which the gas stream rotates at the nozzle exit and the transverse dimensions of the gas-droplet flame increase.

На предложенную пневматическую форсунку разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на воде и водоугольном топливе показали хорошее качество распыливания. На ООО «Завод стеновых блоков» (г.Новосибирск) предложенная форсунка уже длительное время успешно обеспечивает работу топки котла, ориентированного на сжигание ВУТ. На данной форсунке легко удается осуществлять одновременную подачу в топку ВУТ и дизельного топлива и перевод работы топки с одного вида топлива на другой, а также перевод форсунки с подачи сжатого воздуха на перегретый пар. Удается также и управление поперечными размерами газокапельного факела.Technical documentation has been developed for the proposed pneumatic nozzle, prototypes have been manufactured and tested. Tests on water and water-carbon fuel showed good spraying quality. At LLC “Wall Block Plant” (Novosibirsk), the proposed nozzle has been successfully providing the boiler furnace operation focused on the combustion of fuel oil for a long time. This nozzle easily manages the simultaneous supply of diesel fuel and diesel fuel to the furnace and transfers the operation of the furnace from one type of fuel to another, as well as transferring the nozzle from compressed air to superheated steam. The transverse dimensions of the gas-droplet torch are also controlled.

Claims

1. A pneumatic nozzle comprising a housing with an internal annular chamber and a nozzle for supplying compressed gas to it, a pipe for supplying liquid installed along the axis of the housing, passing into the diffuser, at the end of which there is an annular nozzle in the form of an axisymmetric head converging to the axis of the housing, and an annular a slotted gas nozzle at the outlet of the annular chamber, formed by the housing and the outer boundary of the annular nozzle, characterized in that the annular nozzle below the gas nozzle has a concave border shape, a pipe for supplying liquid the spine is equipped with an additional nozzle for mixing another liquid into the main liquid for spraying, the annular chamber for compressed gas is equipped with an additional nozzle for supplying another gas or steam to it, the nozzles for supplying compressed gas and steam have axes offset from the nozzle symmetry plane, due to which the nozzles carry out the tangential supply of gas and steam into the gas chamber.

2. The pneumatic nozzle according to claim 1, characterized in that the generatrix of the annular nozzle below the gas nozzle has the shape of a circular arc.