RU2570678C1

RU2570678C1 - Pneumoacoustic fluid sprayer

Info

Publication number: RU2570678C1
Application number: RU2014122500/05A
Authority: RU
Inventors: Юлиан Ярославович Борисов; Алексей Викторович Гладилин; Николай Степанович Исаев
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: pneumoacoustic fluid sprayer contains central rod installed in central hole and having part projecting from the cylindrical casing. A ring resonator is installed on the projecting part of the central rod. The central rod has cone shape with angle of divergence 10-30°. Axis of the ring resonator is located parallel to cone of the central rod. End face of the shell and external surface of the projecting part of the central rod at the resonator side create between them gas duct with angle of divergence 15-35°.

EFFECT: increased efficiency of dispersion and production of droplets with more fine size, ensuring during their evaporation more intensive heat removal from burning zone.

1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для распыления жидкостей, использующим периодические ударные волны, создаваемые в недорасширенных газовых струях при их торможении резонансной камерой, и может быть использовано там, где необходимо получение мелких капель, например, для создания требуемой влажности воздуха в теплицах или ткацких цехах, при вакцинации животных, а также для создания газожидкостных пожаротушащих смесей.The invention relates to devices for spraying liquids using periodic shock waves generated in underexpanded gas jets when they are braked by a resonant chamber, and can be used where it is necessary to obtain small drops, for example, to create the required humidity in greenhouses or weaving shops, vaccination of animals, as well as to create gas-liquid fire extinguishing mixtures.

При диспергировании жидкостей с помощью ударных волн, представляющих собой акустические колебания высокой интенсивности, используются те или иные пневматические устройства, позволяющие получать в газе пульсации с большой амплитудой и высокой частотой, позволяющие преодолевать силы поверхностного натяжения жидкости.When dispersing liquids using shock waves, which are high-intensity acoustic vibrations, various pneumatic devices are used to obtain pulsations with a large amplitude and high frequency in the gas, which make it possible to overcome the surface tension of the liquid.

Размер капель при таком способе распыления определяется длиной волн неустойчивости в жидкости, причем для достижения капель с диаметром в десятки микрон требуются частоты ультразвукового диапазона. Подобные частоты при высокой амплитуде колебаний могут быть получены с помощью газоструйных генераторов, которые и являются основным элементом пневмоакустических распылителей.The size of the droplets with this method of spraying is determined by the wavelength of the instability in the liquid, and in order to achieve droplets with a diameter of tens of microns, ultrasonic frequencies are required. Similar frequencies with a high amplitude of oscillations can be obtained using gas-jet generators, which are the main element of pneumatic acoustic sprayers.

Известен пневмоакустический распылитель жидкостей, в котором жидкость подается через систему отверстий, расположенных вне зоны генерации на длину волны акустических колебаний, создаваемых газоструйным генератором (Патент США №3070313, НКИ 239/102, опубл. 1962 г.).A pneumatic acoustic liquid atomizer is known in which liquid is supplied through a system of openings located outside the generation zone to the wavelength of acoustic vibrations generated by a gas-jet generator (US Patent No. 3070313, NKI 239/102, publ. 1962).

Известен также пневмоакустический распылитель жидкостей, в котором в качестве источника интенсивных акустических колебаний использован стержневой газоструйный генератор (Патент США №3667679, НКИ 239/102, опубл. 1972 г.).Also known is a pneumatic acoustic liquid atomizer, in which a rod gas-jet generator is used as a source of intense acoustic vibrations (US Patent No. 3667679, NKI 239/102, publ. 1972).

Общим недостатком указанных пневмоакустических распылителей жидкости является недостаточная эффективность дробления жидкости и трудность получения с их помощью капель малого диаметра (менее 50 мкм), необходимых в ряде технологических процессов.A common drawback of these pneumatic-acoustic liquid sprayers is the insufficient efficiency of liquid crushing and the difficulty in obtaining droplets of small diameter (less than 50 microns), which are necessary in a number of technological processes.

Известен пневмоакустический распылитель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, и впускной газовый канал, при этом цилиндрический корпус имеет впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, и газовое сопло, охватывающее центральный стержень и связанное с впускным газовым каналом, причем на выступающей части центрального стержня установлен резонатор, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, выполненному коническим сходящимся (Патент США №4408719, НКИ 239/101, опубл. 1983 г.).A pneumatic acoustic liquid atomizer is known, comprising a cylindrical body having a central hole, a central shaft mounted in the central hole and having a part protruding from the cylindrical body, and an inlet gas channel, wherein the cylindrical body has a liquid inlet channel, a liquid annular chamber associated with a fluid inlet, a fluid nozzle coupled to the fluid annular chamber, and a gas nozzle enclosing a central shaft and coupled to the gas inlet channel, and on the projecting portion of the central resonator rod is mounted, a working surface which faces the gas nozzle configured conical convergent (U.S. Patent №4408719, NKI 239/101, publ. 1983 YG).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность распыления, так как уверенную генерацию колебаний в стержневых излучателях можно получить только при нахождении резонатора от газового сопла на расстоянии, примерно втрое большем, чем толщина кольцевой струи на срезе газового сопла.The disadvantage of this device is the low spraying efficiency, since reliable generation of oscillations in the rod emitters can be obtained only when the resonator is located from the gas nozzle at a distance approximately three times greater than the thickness of the annular jet at the cut of the gas nozzle.

Известен пневмоакустический распылитель жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса, имеющего центральное отверстие, центрального цилиндрического стержня, установленного в центральном отверстии и имеющего часть, выступающую из цилиндрического корпуса, и впускной газовый канал, причем указанный цилиндрический корпус имеет впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с указанным впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, и газовое сопло, охватывающее центральный стержень, при этом на выступающей части центрального стержня установлен резонатор, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем указанные газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, а газовое сопло выполнено коническим сходящимся, а также обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки (Патент РФ №2232647, МПК B05B 17/04, опубл. 2004 г.).Known pneumatic acoustic liquid atomizer consisting of a cylindrical body having a Central hole, a Central cylindrical rod installed in the Central hole and having a part protruding from the cylindrical body, and the inlet gas channel, and the specified cylindrical body has an inlet channel for liquid, a liquid annular chamber, associated with said fluid inlet, a fluid nozzle coupled to a fluid annular chamber, and a gas nozzle spanning a central стерж a rod, while a resonator is mounted on the protruding part of the central rod, the working surface of which is facing the gas nozzle, said gas nozzle and liquid nozzle being made coaxial, the liquid nozzle is further radially from the center axis of the cylindrical body, and the gas nozzle is made tapered as well as a shell covering the cylindrical body, wherein the liquid annular chamber and the liquid nozzle are formed by grooves in the cylindrical body limited by the inner the surface of the shell (RF Patent No. 2232647, IPC B05B 17/04, publ. 2004).

Недостатком указанного пневмоакустического распылителя жидкости является малая эффективность дробления жидкости и трудность получения с его помощью капель малого диаметра (менее 50 мкм), необходимых в ряде технологических процессов.The disadvantage of this pneumatic-acoustic liquid atomizer is the low efficiency of liquid crushing and the difficulty of obtaining with its help droplets of small diameter (less than 50 microns), which are necessary in a number of technological processes.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является пневмоакустический распылитель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, газовое сопло, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки, при этом впускное газовое сопло выполнено цилиндрическим, центральный стержень профилированным, причем расположенная внутри сопла часть имеет коническую форму с углом расхождения 45-80°, часть за срезом сопла имеет цилиндрическую форму, место схождения цилиндрической и конической частей стержня расположено на срезе сопла, а впускной канал для жидкости выполнен в виде штуцера, установленного на внешней поверхности обечайки и соединенного с жидкостной кольцевой камерой (Патент РФ №2467804, МПК B05B 17/04, 19.05.2011 г.).Closest to the invention in technical essence and the achieved result (prototype) is a pneumatic-acoustic liquid atomizer containing a cylindrical body having a central hole with an inlet gas channel, a central rod mounted in the central hole and having a part protruding from the cylindrical body having an inlet channel for a liquid, a liquid annular chamber associated with a fluid inlet, a liquid nozzle associated with a liquid annular chamber, a gas nozzle comprising a central rod, an annular resonator mounted on a protruding part of a central rod, the working surface of which is facing the gas nozzle, the gas nozzle and the liquid nozzle being made coaxial, the liquid nozzle is further radially from the center axis of the cylindrical body, a shell surrounding the cylindrical body wherein the liquid annular chamber and the liquid nozzle are formed by grooves in the cylindrical body limited by the inner surface of the shell, while the inlet The gas nozzle is cylindrical, the central rod is profiled, and the part located inside the nozzle has a conical shape with a divergence angle of 45-80 °, the part behind the nozzle section has a cylindrical shape, the convergence point of the cylindrical and conical parts of the rod is located on the nozzle section, and the inlet channel for liquid is made in the form of a fitting mounted on the outer surface of the shell and connected to a liquid annular chamber (RF Patent No. 2467804, IPC B05B 17/04, 05/19/2011).

Недостатком указанного распылителя является трудность получения с его помощью капель менее 50 мкм, необходимых для тушения пожаров объемным методом.The disadvantage of this sprayer is the difficulty of obtaining with its help drops less than 50 microns necessary for extinguishing fires by the volumetric method.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности диспергирования и получение капель более мелкого размера, обеспечивающих при их испарении более интенсивный отвод тепла от зоны горения.The technical result of the invention is to increase the efficiency of dispersion and to obtain droplets of a smaller size, providing during their evaporation a more intense heat removal from the combustion zone.

Технический результат достигается за счет того, что в пневмоакустическом распылителе жидкости, содержащем цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, связанный с жидкостным соплом, цилиндрическое газовое сопло, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, центральный стержень имеет коническую форму с углом расхождения 10-30°, ось кольцевого резонатора расположена параллельно конусу центрального стержня, а торцевая поверхность обечайки и наружная поверхность выступающей части центрального стержня со стороны резонатора образуют между собой газоход с углом расхождения 15-35°. В устройстве повышение рабочей частоты создается путем расширения кольцевой пристенной струи, текущей вдоль поверхности конического центрального стержня, имеющего угол расхождения β=10-30°, вплоть до резонатора, находящегося на конце последнего. В расходящейся струе ячейка сверхзвуковой струи деформируется, а прямой скачок, возникающий при торможении струи, приближается к резонатору.The technical result is achieved due to the fact that in a pneumatic-acoustic liquid atomizer containing a cylindrical body having a central hole with an inlet gas channel, a central rod mounted in the central hole and having a part protruding from the cylindrical body having a liquid inlet channel connected to the liquid nozzle, a cylindrical gas nozzle covering the central rod, an annular resonator mounted on the protruding part of the central rod, the working surface which faces the gas nozzle, wherein the gas nozzle and the liquid nozzle are coaxial, the liquid nozzle is further radially from the center line of the cylindrical body, the shell surrounding the cylindrical body, the central rod has a conical shape with a divergence angle of 10-30 °, the axis of the ring resonator is located parallel to the cone of the Central rod, and the end surface of the shell and the outer surface of the protruding part of the Central rod from the side of the resonator form a flue with glom divergence 15-35 °. In the device, an increase in the operating frequency is created by expanding the annular wall jet flowing along the surface of the conical central rod having a divergence angle β = 10-30 °, up to the resonator located at the end of the latter. In a diverging jet, the cell of the supersonic jet is deformed, and the direct jump that occurs when the jet decelerates approaches the resonator.

Подобная конструкция позволяет при заданном расходе распыляющего газа и неизменной толщине струи на выходе из сопла повысить частоту генерации устройства из-за изменения структуры потока, текущего вдоль расширяющегося конического стержня, и укорочения дозвуковой зоны за прямым скачком перед резонатором.This design allows for a given flow rate of the spraying gas and a constant thickness of the jet at the nozzle exit to increase the frequency of generation of the device due to a change in the flow structure flowing along the expanding conical rod and a shortening of the subsonic zone behind the direct jump in front of the resonator.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен разрез предлагаемого пневмоакустического распылителя жидкостей.The invention is illustrated in the drawing, which shows a section of the proposed pneumatic acoustic spray of liquids.

Пневмоакустический распылитель содержит цилиндрический корпус 1, имеющий центральное отверстие 2 и цилиндрическое газовое сопло 3, центральный стержень 4, установленный в центральном отверстии 2 и имеющий угол конусности β=10-30°, отсчитываемый от вертикальной оси корпуса 1, при этом центральный стержень 4 имеет газовый канал 5, а также кольцевой резонатор 6, выполненный на его выступающей за пределы сопла части 3, причем его рабочая поверхность обращена к газовому соплу 3, обечайку 7, охватывающую корпус 1, имеет впускной штуцер 8 для подвода жидкости и жидкостное сопло 9. Указанное газовое сопло 3 и жидкостное сопло 9 выполнены соосными, причем жидкостное сопло 9 находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса 1, а ось кольцевого резонатора 6 расположена параллельно конусу центрального стержня 4, торцевая поверхность обечайки 7 и наружная поверхность выступающей части центрального стержня 4 со стороны резонатора 6 образуют между собой газоход с углом расхождения 15-35°.The pneumatic acoustic sprayer comprises a cylindrical body 1 having a central hole 2 and a cylindrical gas nozzle 3, a central shaft 4 mounted in the central hole 2 and having a taper angle β = 10-30 °, counted from the vertical axis of the body 1, while the central shaft 4 has a gas channel 5, as well as an annular resonator 6, made on its part 3 protruding beyond the nozzle, with its working surface facing the gas nozzle 3, the casing 7 covering the housing 1 has an inlet fitting 8 for supplying liquid the spines and the liquid nozzle 9. The gas nozzle 3 and the liquid nozzle 9 are made coaxial, the liquid nozzle 9 being further radially from the center axis of the cylindrical body 1, and the axis of the ring resonator 6 is parallel to the cone of the central rod 4, the end surface of the shell 7 and the outer surface of the protruding part of the Central rod 4 from the side of the resonator 6 form a gas duct with a divergence angle of 15-35 °.

Работа пневмоакустического распылителя происходит следующим образом. Газ при сверхкритическом давлении подается через газовый канал 5 в центральном стержне 4 и газовое сопло 3, выполненное в корпусе 1, формируя с коническим стержнем 4 кольцевую струю, имеющую на выходе число Маха, равное единице.The operation of the pneumatic acoustic sprayer is as follows. Gas at supercritical pressure is supplied through a gas channel 5 in the central rod 4 and a gas nozzle 3 made in the housing 1, forming a ring jet with a conical rod 4 having an output Mach number equal to one.

После ее расширения и создания за пределами сопла 3 сверхзвуковой бочкообразной структуры, которая из-за постепенного роста периметра струи, текущей вдоль расширяющегося конуса стержня 4, тормозится ближе к резонатору 6, укорачивая дозвуковую зону за прямым скачком уплотнения, представляющую собой «созданный четвертьволновой резонатор с одной жесткой границей (дно реального резонатора 6) и одной мягкой (прямой скачок), повышая тем самым частоту генерации и образующую при этом систему периодических ударных волн. Распыляемая жидкость через водяной штуцер 8 поступает в жидкостное сопло 9, за пределами которого распадается под совместным действием ударных волн и высокоскоростного газового потока, вытекающего из резонатора 6.After its expansion and creation of a supersonic barrel-shaped structure outside the nozzle 3, which, due to the gradual growth of the perimeter of the jet flowing along the expanding cone of the rod 4, decelerates closer to the resonator 6, shortening the subsonic zone behind the direct shock wave, which is a “created quarter-wave resonator with one hard boundary (bottom of the real resonator 6) and one soft (direct jump), thereby increasing the generation frequency and forming a system of periodic shock waves. The sprayed liquid through the water nozzle 8 enters the liquid nozzle 9, beyond which it splits under the combined action of shock waves and a high-speed gas stream flowing out of the resonator 6.

При этом создается факел распыла, форма и размер которого обеспечивают быстрое увеличение объема газожидкостной смеси с тем, чтобы полученные капли удалились друг от друга и не происходил процесс коагуляции. Это обеспечивается выбором внешних поверхностей обечайки 9 и резонатора, создающих кольцевой газоход с углом раскрытия α=15-30° Сравнительные испытания пневмоакустического распылителя согласно изобретению с аналогичным по конструктивным параметрам прототипом, выполненные при распылении воды (производительность устройств 1,9 л/мин) при давлении воздуха 0,4 МПа, показали, что при использовании стержня с β=15° частота генерации увеличивается в среднем на 6%, а при β=30° - на 8,5%. При этом повышение дисперсности составляет в первом случае 5,3%, а во втором около 5,6%, причем 90% жидкости содержится в каплях с размерами менее 110 мкм.This creates a spray torch, the shape and size of which provide a rapid increase in the volume of the gas-liquid mixture so that the resulting droplets move away from each other and the coagulation process does not occur. This is ensured by the choice of the outer surfaces of the shell 9 and the resonator, creating an annular gas duct with an opening angle α = 15-30 °. Comparative tests of a pneumatic-acoustic sprayer according to the invention with a prototype similar in design parameters, performed when spraying water (device capacity 1.9 l / min) at air pressure of 0.4 MPa, showed that when using a rod with β = 15 °, the generation frequency increases on average by 6%, and at β = 30 ° - by 8.5%. Moreover, the increase in dispersion is in the first case 5.3%, and in the second about 5.6%, and 90% of the liquid is contained in drops with sizes less than 110 microns.

Claims

A pneumatic-acoustic liquid atomizer comprising a cylindrical body having a central opening with an inlet gas channel, a central shaft mounted in the central opening and having a portion protruding from the cylindrical body having a liquid inlet connected to the liquid nozzle, a cylindrical gas nozzle enclosing the central shaft , a ring resonator mounted on the protruding part of the Central rod, the working surface of which is facing the gas nozzle, and gas The liquid nozzle and the nozzle are made coaxial, the liquid nozzle is located further along the radius from the center line of the cylindrical body, a shell surrounding the cylindrical body, characterized in that the central rod has a conical shape with a divergence angle of 10-30 °, the axis of the ring resonator is parallel to the cone of the central rod, and the end surface of the shell and the outer surface of the protruding part of the Central rod from the side of the resonator form a flue with a divergence angle of 15-35 °.