RU40217U1

RU40217U1 - FINE SPRAY

Info

Publication number: RU40217U1
Application number: RU2002121991/22U
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Быков; А.В. Зенько; А.В. Карпов; В.Г. Константинов; В.И. Турчин
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-09-10

Abstract

Изобретение относится к распылителям жидких веществ. Применяется для нанесения защитных покрытий на изделия, их окраски, для очистки газов от механических примесей. Прототипом изобретения является широко применяемая в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания распылительная система топлива - диффузор, состоящая из круглого аксиально-симметричного воздуховода, стенки которого вначале конусно сужаются, а затем расширяются по образцу сопла Ловаля, канала подачи распыляемого жидкого топлива, установленного таким образом, что жидкость попадает в область наибольшего сужения воздуховода через отверстие в его боковой стенке, пересекая движение газовой струи в воздухе. Недостаток - малая степень распыления жидкого топлива и большой угол расхождения струи на выходе диффузора, поскольку жидкость, двигаясь поперек газовой The invention relates to nebulizers of liquid substances. It is used for applying protective coatings on products, their coloring, for cleaning gases from mechanical impurities. The prototype of the invention is a fuel atomization system widely used in carburetors of internal combustion engines - a diffuser, consisting of a circular axially symmetric duct, the walls of which are initially tapered to narrow and then expand along the pattern of the Loval nozzle, a channel for supplying atomized liquid fuel so that the liquid enters the region of greatest narrowing of the duct through an opening in its side wall, intersecting the movement of a gas stream in the air. The disadvantage is the low degree of atomization of liquid fuel and the large angle of divergence of the jet at the outlet of the diffuser, since the liquid moving across the gas

струи, замедляет ее продольную скорость и ухудшает ламинарность потока. Целью изобретения является увеличение степени распыления жидкого вещества и уменьшение угла расходимости струи на выходе распылителя. В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении появляется новое физическое свойство, а именно, жидкость впрыскиваемая в центр критического сечения сопла Ловаля в направлении движения воздушного потока и дополнительно ускоренная в конусе канала подачи топлива, под действием струи воздушного потока сама формирует раскрывающийся конус сопла Ловаля. В результате чего обеспечиваются оптимальные условия согласованного движения воздушного и водного потоков, увеличивающее скорость движения струи и степень разрежения в водно-воздушном потоке, что позволяет повысить эффективность, распыления жидкости и уменьшить угол расхождения струи на выходе высокодисперсионого распылителя. Предлагаемое изобретение просто и надежно в эксплуатации, отличается уменьшенным расходом воды и низкой себестоимостью. Его можно использовать для создания противопожарных установок, формирующих луч перенасыщенного водного тумана, эффективного в борьбе с пожарами, особенно лесными, осаждения пыли в зоне jet slows its longitudinal velocity and worsens the laminar flow. The aim of the invention is to increase the degree of atomization of the liquid substance and reduce the angle of divergence of the jet at the outlet of the atomizer. As a result of the proposed structural changes in the invention, a new physical property appears, namely, the liquid injected into the center of the critical section of the Loval nozzle in the direction of movement of the air flow and additionally accelerated in the cone of the fuel supply channel, itself forms the opening cone of the Loval nozzle under the influence of the air stream. As a result, optimal conditions for the coordinated movement of air and water flows are provided, which increases the speed of the jet and the degree of rarefaction in the air-water stream, which allows to increase the efficiency of spraying the liquid and reduce the angle of divergence of the jet at the outlet of the highly dispersed atomizer. The present invention is simple and reliable in operation, has a reduced water consumption and low cost. It can be used to create fire-fighting installations that form a beam of oversaturated water fog, effective in combating fires, especially forest fires, dust deposition in the zone

техногенных катастроф, в скубберах и других поглотителях, для улучшения очистки воздуха в условиях вредных производств, в шахтах, взрывоопасных по пыли и газу, и других отраслях народного хозяйства.technological disasters, in scubbers and other absorbers, to improve air purification in hazardous industries, in mines explosive by dust and gas, and other sectors of the economy.

Description

Изобретение относится к распылителям жидких веществ. Применяется для нанесения защитных покрытий на изделия, их окраски, для очистки газов от механических примесей, увлажнения воздуха.The invention relates to nebulizers of liquid substances. It is used for applying protective coatings to products, their coloring, for cleaning gases from mechanical impurities, humidifying the air.

Аналогом изобретения являются широко известные конструкции распылителей покрасочных пистолетов, пескоструйных установок, эжекторных насосов [1] и устройства, применяемые в реактивных и двигателях внутреннего сгорания, использующие пульверизационный способ образования горючей смеси t2]. Недостаток -малая степень распыления вещества и большой угол расхождения струи распыленного вещества на выходе устройств.An analogue of the invention are the well-known designs of spray guns, sandblasting plants, ejector pumps [1] and devices used in jet and internal combustion engines using the spray method of forming a combustible mixture t2]. The disadvantage is a small degree of atomization of the substance and a large angle of divergence of the jet of atomized substance at the output of the devices.

Прототипом изобретения является широко применяемая в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания распылительная система топлива - диффузор [2], The prototype of the invention is widely used in carburetors of internal combustion engines, the fuel atomization system is a diffuser [2],

состоящая из круглого аксиально-симметричного воздуховода, стенки которого вначале конусно сужаются, а затем расширяются по образцу сопла Ловаля [3], канала подачи распыляемого жидкого топлива, установленного таким образом, что жидкость подается в область наибольшего сужения воздуховода через отверстие в его боковой стенке, пересекая движение газовой струи в воздуховоде. Недостаток - малая степень распыления жидкого топлива и большой угол расхождения струи на выходе диффузора, поскольку жидкость, двигаясь поперек газовой струи, замедляет ее продольную скорость и ухудшает ламинарность потока.consisting of a circular axially symmetric duct, the walls of which are initially tapered to narrow and then expand along the pattern of the Loval nozzle [3], a spray channel for spraying liquid fuel, so that fluid is supplied to the region of greatest narrowing of the duct through an opening in its side wall, crossing the movement of a gas stream in the duct. The disadvantage is the low degree of atomization of liquid fuel and the large angle of divergence of the jet at the outlet of the diffuser, since the liquid moving across the gas jet slows down its longitudinal velocity and worsens the laminar flow.

Целью изобретения является увеличение степени распыления жидкого вещества и уменьшение угла расходимости струи распыленного вещества на выходе распылителя.The aim of the invention is to increase the degree of atomization of a liquid substance and to reduce the angle of divergence of the jet of atomized substance at the outlet of the atomizer.

Поставленная цель достигается тем, что в высокодисперсный распылитель. состоящий из воздуховода, канал которого выполнен в виде круглой трубы, на выходе которой стенки вначале конусно сужаются, а затем расширяются, образуя сопло Ловаля, канала подачи распыляемой жидкости, отличающийся тем, что выход круглого аксиально-симметричного канала подачи распыляемой жидкости имеет конусное сужение, через которое жидкость подается в центр области наибольшего сужения сопла Ловаля воздуховода соосно и однонаправлено с движением воздушной струи в воздуховоде.This goal is achieved by the fact that in a fine spray. consisting of an air duct, the channel of which is made in the form of a round pipe, at the outlet of which the walls initially tapered to narrow, and then expand, forming a Loval nozzle, of the sprayed liquid supply channel, characterized in that the outlet of the circular axially symmetric sprayed liquid supply channel has a conical narrowing, through which the fluid is supplied to the center of the area of greatest narrowing of the Loval nozzle of the air duct coaxially and unidirectionally with the movement of the air stream in the air duct.

Известно, что в критическом сечении сопла Ловаля массовая скорость потока может достигать местной скорости звука, а при дальнейшем движении потока в области сопла расширяющегося заданным образом, его скорость может превосходить местную скорость звука [3].It is known that in the critical section of the Loval nozzle, the mass flow velocity can reach the local speed of sound, and with further movement of the flow in the region of the nozzle expanding in a predetermined manner, its speed can exceed the local speed of sound [3].

В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении появляется новое физическое свойство, а именно:As a result of the proposed structural changes in the invention, a new physical property appears, namely:

- поскольку поток газа и поток жидкости, впрыскиваемый предложенным образом в область критического сечения сопла Ловаля, двигаются в одном направлении, а разница их скоростей уменьшается за счет дополнительного ускорения жидкости при ее прохождении через конус канала подачи, это способствует снижению турбулентности и потери скорости газового потока, налетающего на впрыскиваемую жидкость.- since the gas stream and the liquid stream injected in the proposed manner into the region of the critical section of the Loval nozzle move in one direction, and the difference in their velocities decreases due to additional acceleration of the liquid when it passes through the cone of the feed channel, this helps to reduce turbulence and loss of gas flow velocity flying onto the injected liquid.

- Поток жидкости, проходя через конусное сужение канала подачи попадает в расширяющийся воздушный конус и образует водно-воздушный конус, конфигурация которого формируется в результате самосогласованного взаимодействия потока жидкости с газовым потоком. Поскольку любая свободная система в потенциальном поле сил стремится занять положение, соответствующее минимуму ее энтропии, то профиль конуса расширения для жидкости будет оптимизироваться газовым потоком таким образом, чтобы энергия, затрачиваемая потоком жидкости на торможение и искажение трубок тока газового потока была минимальна.- The fluid flow passing through the conical narrowing of the feed channel enters the expanding air cone and forms a water-air cone, the configuration of which is formed as a result of the self-consistent interaction of the fluid flow with the gas flow. Since any free system in a potential field of forces tends to occupy a position corresponding to the minimum of its entropy, the profile of the expansion cone for the liquid will be optimized by the gas flow so that the energy spent by the liquid flow on braking and distortion of the gas flow tubes is minimal.

- Эти факторы способствуют улучшению ламинарности смешанного газожидкостного потока и увеличению его скорости на участке между критическим сечением и выходом сопла Ловаля, что уменьшает как угол расхождения жидкост-ногазового потока на выходе распылителя, так и давление в этой области, способствуя повышению эффективности распыления жидкости. Возникшие новые физические свойства приводят к возникновению положительного эффекта в заявленном изобретении, выражающегося в том, что увеличивается степень распыления жидкого вещества и уменьшается угол расходимости струи распыленного вещества на выходе высокодисперсного распылителя по сравнению с прототипом и аналогами.- These factors contribute to improving the laminarity of the mixed gas-liquid stream and increasing its speed in the area between the critical section and the outlet of the Loval nozzle, which reduces both the angle of divergence of the liquid-gas stream at the outlet of the atomizer and the pressure in this area, thereby increasing the efficiency of liquid atomization. The new physical properties that have arisen lead to a positive effect in the claimed invention, which is expressed in the fact that the degree of atomization of the liquid substance increases and the angle of divergence of the jet of atomized substance at the exit of the finely dispersed atomizer decreases in comparison with the prototype and analogues.

Широко известны устройства, в которых используется заранее заданный профиль сопла Ловаля [1, 3], но устройств, в которых формирование части подобного сопла, а именно, профиля конуса расширения жидкости производится в динамическом режиме самонастройки в результате взаимодействия двух потоков с учетом местных параметров этих потоков не обнаружено.Widely known are devices that use a predetermined Loval nozzle profile [1, 3], but devices in which the formation of a part of such a nozzle, namely, the profile of a liquid expansion cone, is performed in a dynamic mode of self-tuning as a result of the interaction of two flows taking into account the local parameters of these No streams detected.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, а именно, наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение нового физического свойства, приведшее к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.An analysis of the distinctive essential features and the properties manifested due to them, associated with the achievement of a positive effect, namely, the presence of structural changes that caused the emergence of a new physical property that led to a positive effect, allows us to assume that the claimed technical solution meets the criterion of significant differences.

На рис.1 показан высокодисперсный распылитель, состоящий из воздуховода 1, внутренняя часть которого выполнена в виде круглого аксиально-симметричного канала, выход которого имеет конусные сужение и расширение 2, выполненные по тем же законам, что и сопло Ловля, канал подачи распыляемой жидкости 3, установленный таким образом, чтобы его выход совпадал с критическим сечением А-А сопла Ловаля. Распыляемая жидкость в область критического сечения А-А подается через отверстие 4 канала подачи распыляемой жидкости, имеющее конусное сужение на выходе 3. Газ подается в воздуховод 1 через штуцер 5, размещенный на противоположном от сопла Ловаля конце воздуховода. Внешний профиль канала подачи распыляемой жидкости 3 и его размеры выбраны из тех условий, чтобы его установка в сужающемся конусе 2 воздуховода 1 практически не нарушала бы закономерностей движения газа через сопло Лова-ля. В экспериментальном образце в качестве газа использовался сжатый воздух, жидкостью была вода. Воздух, поступая в воздуховод 1 через штуцер 5, проходил по каналу воздуховода и после сжатия в сходящемся конусе 2 его скорость увеличивалась Fig. 1 shows a finely dispersed atomizer consisting of an air duct 1, the inside of which is made in the form of a circular axially symmetric channel, the outlet of which has a conical narrowing and expansion 2, made according to the same laws as the Lovly nozzle, the spray liquid supply channel 3 set so that its output matches the critical section AA of the Loval nozzle. The sprayed liquid to the critical section AA is supplied through the opening 4 of the sprayed liquid supply channel having a conical narrowing at the outlet 3. Gas is supplied to the duct 1 through the nozzle 5 located at the end of the duct opposite from the Loval nozzle. The external profile of the spray fluid supply channel 3 and its dimensions are selected from those conditions so that its installation in the tapering cone 2 of the duct 1 would practically not violate the laws of gas movement through the Love-nozzle. In the experimental sample, compressed air was used as a gas; water was a liquid. The air entering the duct 1 through the nozzle 5 passed through the duct and after compression in a converging cone 2 its speed increased

и могла достигать местной скорости звука в критическом сечении А-А, где создавалось разряжение, которое способствовало дополнительному увеличению скорости воды, поступающей из 3, рис.1. Вода, проходя по каналу распыляемой жидкости 3, увеличивала свою начальную скорость в конусе на выходе отверстия 4. Таким образом, установка канала распыляемой жидкости 3 на центральной продольной оси высокодисперсного распылителя соосно потоку движению воздуха в воздуховоде 1, наличие разряжения в сечение А-А и дополнительное увеличение скорости воды в конусе 4 уменьшали разброс относительных скоростей воздушного и водного потоков по сравнению с прототипом, где жидкость более тяжелая чем газ подавалась в сопло под большим углом к воздушному потоку, в результате чего увеличивалась его турбулентность, уменьшалась скорость потока и увеличивалось давление в критическом сечении сопла у прототипа. Предложенная конструкция позволяет увеличить массовую скорость потока в критическом сечении сопла по сравнению с прототипом. По мере расхождения высоколаминарного воздушного потока в раскрывающемся конусе сопла Ловаля 2 частички воды, подхваченные струями воздушного потока, начинают формироваться в расходящийся конус таким образом, чтобы как можно меньше нарушался энергетический баланс между двумя системами, водной и воздушной, вся система саморегулируется. Так создаются условия для достижения максимальной скорости и минимальной турбулентности потока в зоне между критическим сечением сопла Ловаля и выходом распылителя. Температура потока Т связана с его скоростью выражением [3]and could reach the local speed of sound in the critical section AA, where a vacuum was created, which contributed to an additional increase in the speed of water coming from 3, Fig. 1. Water passing through the channel of the sprayed liquid 3 increased its initial speed in the cone at the outlet of the hole 4. Thus, the installation of the channel of the sprayed liquid 3 on the central longitudinal axis of the finely dispersed spray gun is aligned with the flow of air in the duct 1, the presence of a vacuum in section A-A and an additional increase in the water velocity in cone 4 reduced the spread in the relative velocities of air and water flows compared to the prototype, where the liquid is heavier than the gas was supplied to the nozzle at a large angle to the air th stream, thereby increasing its turbulence, reduced flow and increased pressure in the throat of the nozzle for the prototype. The proposed design allows to increase the mass flow rate in the critical section of the nozzle compared with the prototype. As the high-laminar air flow diverges in the opening cone of the Loval nozzle, 2 particles of water caught by the jets of air flow begin to form into a diverging cone so that the energy balance between the two systems, water and air, is as little as possible, the whole system is self-regulating. This creates the conditions for achieving maximum speed and minimum flow turbulence in the zone between the critical section of the Loval nozzle and the nozzle exit. The temperature of the stream T is related to its speed by the expression [3]

где То- начальное значение температуры, Cm- местная скорость звука, V- скорость потока, χ - показатель адиабаты. Местная скорость звука Cm определяется в [3]where is the initial temperature value, Cm is the local speed of sound, V is the flow velocity, and χ is the adiabatic index. The local speed of sound Cm is defined in [3]

где Т- абсолютная температура газа, В- удельная газовая постоянная, χ - показатель адиабаты. Поскольку массовая скорость потока в заявленном изобретении будет больше, чем в прототипе, температура и местная скорость звука - меньше (следует из формул (1, 2)), а давление в нем, согласно [3]where T is the absolute temperature of the gas, B is the specific gas constant, χ is the adiabatic index. Since the mass flow rate in the claimed invention will be greater than in the prototype, the temperature and local speed of sound is less (follows from formulas (1, 2)), and the pressure in it, according to [3]

где Р₀- давление струи в критическом сечении сопла Ловаля, Cm- местная скорость звука, V - массовая скорость струи в конусе раскрытия сопла Ловаля, с учетом выражений (1) и (2) в этой области уменьшается тем сильнее, чем большее значение имеет скорость V. Поскольку массовая скорость потока V в заявленном изобретении больше, чем в прототипе, следовательно, дисперсия водной струи в нем будет происходить в условиях меньшего давления и большей скорости воздуха по сравнению с прототипом. Известно, что процесс кипения и парообразования при малых давлениях происходит при меньших температурах, поскольку ослабляется удерживающее действие сил поверхностного натяжения. Перечисленные факторы (меньшее давление и большая скорость потока) будут способствовать увеличению степени распыления жидкого вещества. Водно-воздушный поток в предложенном изобретении имеет большую скорость и меньшую турбулентность, where P ₀ is the jet pressure in the critical section of the Loval nozzle, Cm is the local speed of sound, V is the mass velocity of the jet in the cone of opening of the Loval nozzle, taking into account expressions (1) and (2) in this region decreases the more, the greater the value speed V. Since the mass flow rate V in the claimed invention is greater than in the prototype, therefore, the dispersion of the water stream in it will occur under conditions of lower pressure and higher air speed compared to the prototype. It is known that the process of boiling and vaporization at low pressures occurs at lower temperatures, since the holding effect of surface tension forces is weakened. The listed factors (lower pressure and higher flow rate) will increase the degree of atomization of the liquid substance. The air-water flow in the proposed invention has a greater speed and less turbulence,

чем в прототипе, что позволяет уменьшить угол расхождения струи на выходе высокодисперсного распылителя. Поскольку жидкость подается в центр воздушной струи, уменьшается ее расход, вызванный отеканием по боковым стенкам воздуховода, что имеет место в прототипе. Это позволяет более эффективно расходовать распыляемое вещество. В экспериментальном образце при давлении воздуха, равном 4 атмосферам, вода распылялась до состояния тумана, формируя узконаправленный луч длиной 12-15 метров, температура в котором была меньше температуры используемой воды на 5-7 градусов С. Увеличение давления вызывает соответствующий рост длины луча.than in the prototype, which allows to reduce the angle of divergence of the jet at the exit of the fine spray. Since the fluid is fed into the center of the air stream, its flow rate is reduced due to swelling along the side walls of the duct, which takes place in the prototype. This allows you to more efficiently spend the sprayed substance. In the experimental sample, at an air pressure of 4 atmospheres, water was sprayed to a fog state, forming a narrow beam 12-15 meters long, the temperature of which was 5-7 degrees C lower than the temperature of the water used. An increase in pressure causes a corresponding increase in the beam length.

Предлагаемый высокодисперсный распылитель прост и надежен в эксплуатации, отличается уменьшенным расходом воды и низкой себестоимостью. Его можно использовать для создания противопожарных установок, формирующих длинный луч перенасыщенного водного тумана, эффективных в борьбе с пожарами, особенно лесными, поскольку водный туман заполняет весь объем, в котором происходит горение, на время, достаточное для гарантированного прекращения этого процесса. Противопожарная авиация, снабженная подобными установками, может потушить значительно большие площади за счет экономного расходования воды и более эффективного тушения при той же полезной загрузке. Целесообразно использовать предлагаемое изобретение в установках для осаждения пылевых облаков в зоне техногенных и природных катастроф, в скрубберах и иных поглотителях для улучшения очистки воздуха в условиях вредных производств, в шахтах, взрывоопасных по пыли и газу, и других отраслях народного хозяйства.The proposed fine spray is simple and reliable in operation, has a reduced water consumption and low cost. It can be used to create fire-fighting installations that form a long ray of supersaturated water fog, effective in fighting fires, especially forest ones, since water fog fills the entire volume in which combustion occurs for a time sufficient to guarantee the termination of this process. Firefighting aircraft equipped with such installations can extinguish significantly larger areas due to the economical use of water and more effective extinguishing at the same payload. It is advisable to use the invention in plants for the deposition of dust clouds in the area of industrial and natural disasters, in scrubbers and other absorbers to improve air purification in hazardous industries, in mines explosive of dust and gas, and other sectors of the economy.

Claims

A finely dispersed atomizer consisting of a gas supply channel made in the form of a pipeline, at the outlet of which the walls first taper and then immediately expand according to the law of the classic Laval nozzle, a spray liquid supply channel made in the form of a pipe with a conical narrowing at the outlet and passing along the central longitudinal the axis of the gas supply channel, characterized in that the outlet of the spray liquid supply channel is installed on the central longitudinal axis of the gas supply channel at the point of greatest narrowing of the Laval nozzle so that time that liquid is sprayed at a given point of the Laval nozzle coaxially and unidirectionally with the air stream in motion the gas supply channel.