Центробежный смеситель

 

Использование: в технике распыливания и смешения, преимущественно в химических реакторах, газогенераторах и камерах сгорания, рботающих на реагирующих один с другим в жидкой фазе компонентах топлива. Сущность изобретения: смеситель содержит корпус 1 с коллекторами 2 и 3 для компонентов смеси, герметично установленные в корпусе плотно соединенные один с другим диски 8-10 с выполненными в них отверстиями 11 и 14 и канавками 12,13,15 и 16, образующими при соединении дисков подводящие, завихривающие каналы и камеры закручивания центробежных форсунок, выполненные плавно расширяющимися по ходу потока. Угол раскрытия камер закручивания выполнен плавно уменьшающимся к выходной части. Между тангенциальными каналами 12 и 15 и камерами закручивания выполнены кольцевые проточки с шириной, не превышающей ширину тангенциальных каналов 12 и 15, площадь проходного сечения которых от тангенциальных каналов до камер закручивания выполнена плавно уменьшающейся. Такое выполнение смесителей повышает полноту химической реакции в смесителе при его импульсной работе и удешевляет серийное производство. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике распыливания и смешения, преимущественно в химических реакторах, газогенераторах, и может быть использовано также в камерах сгорания, работающих на реагирующих один с другим в жидкой фазе компонентах топлива.

Известен центробежный смеситель [1] содержащий герметично установленный в корпусе пакет дисков с канавками, проточками и отверстиями, образующими при соединении дисков подводящие, завихривающие каналы и камеры закручивания центробежных форсунок. Этот смеситель обладает компактностью и минимальным объемом внутренних полостей по сравнению с другими известными типами центробежных смесителей [1] Однако такой смеситель невозможно использовать для смешения реагирующих один с другим в жидкой фазе реагентов, например самовоспламеняющихся компонентов топлива типа монометилгидразин и четырехокись азота, ввиду взрывоопасности их смешения в общей камере закручивания.

Известен также центробежный смеситель [2] содержащий корпус, коллекторы для компонентов смеси, герметично установленные в корпусе и плотно соединенные один с другим диски с выполненными в них каналами, проточками и отверстиями, образующими при соприкосновении дисков камеры закручивания, подводящие и тангенциальные каналы центробежных форсунок. Этот смеситель наиболее близок к предложенному по своей технической сущности и большинству общих существенных признаков и поэтому является прототипом изобретения. При своей компактности он обеспечивает распыливание и безопасное смешение в капельном виде реагирующих один с другим в жидкой фазе реагентов.

Недостатками данного смесителя являются повышенная сложность изготовления, связанная с выполнением центровочных выточек с выступающими над поверхностью дисков сопловыми каналами, низкая полнота сгорания при смешении реагентов в капельной фазе, вызывающем неравномерность распыливания состава смеси по пространству зоны смесеобразования.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, обеспечение высокой полноты химических реакций при сохранении компактности смесителя путем организации смешения реагентов в жидкой фазе в виде стабилизированных на стенке закрученных жидкостных пелен и удешевления его производства.

Для этого в смесителе, содержащем корпус, герметично установленные в корпусе, плотно соединенные один с другим диски с выполненными в них отверстиями, канавками и проточками, образующими при соединении дисков подводящие каналы, камеры закручивания и тангенциальные к ним каналы центробежных форсунок, профиль каждой камеры закручивания выполнен плавно расширяющимся по ходу потока и содержит кольцевой уступ, к которому примыкают тангенциальные каналы менее плотного компонента смеси, а угол раскрытия камер закручивания уменьшается к выходной части.

Между тангенциальными каналами и камерами закручивания могут быть выполнены кольцевые проточки, проходное сечение которых от тангенциальных каналов до камер закручивания выполнено плавно сужающимся.

Выполнение камер закручивания центробежных форсунок расширяющимися по ходу потока вогнутыми, обеспечивает прижатие жидкостных пелен к стенке и друг к другу под действием центробежных сил. Расширение камер закручивания делает пелены тоньше, а также увеличивает проходные сечения для отвода газообразных продуктов реакции и уменьшает угол факела истекающей смеси, что предотвращает ее попадание на стенки реакционной камеры.

На фиг. 1 представлен продольный разрез центробежного смесителя; на фиг. 2 смеситель с выходного торца; на фиг. 3 разрез АООБ на фиг. 1; на фиг. 4 продольный разрез смесителя с кольцевыми проточками у камер закручивания; на фиг. 5 сечения В-В, Г-Г, Д-Д, Е-Е на фиг. 4; на фиг. 6 гидродинамическая схема форсунок предложенного смесителя и смесителя с проточками.

Центробежный смеситель содержит корпус 1 с коллекторами 2 и 3 подачи компонентов смеси, снабженными штуцерами 4 и 5, а также фланцами 6 и 7 для крепления собственно смесителя и реакционной камеры (не показана).

В корпусе 1 герметично установлены диски 8-10, соединенные один с другим с помощью диффузионной сварки в вакууме. На диске 8 выполнены расположенные в гексагональном порядке расширяющиеся по ходу потока отверстия 11, тангенциальные к ним каналы 12 и подводящие каналы 13, соединяющие отверстия 11 с коллектором 2. На диске 9 выполнены расширяющиеся по ходу потока отверстия 14, соосные отверстиям 11 диска 8, тангенциальные к ним каналы 15 и подводящие каналы 16, соединяющие отверстия 14 с коллектором 3. Углы конусности отверстий 11 и 14 выполнены плавно уменьшающимися по ходу потока в диапазоне от 32^о до 5^о.

Диск 10 может быть выполнен глухим, изолирующим отверстия 14, каналы 15 и 16 от окружающей среды, или иметь сквозные отверстия 17, соединяющие отверстия 14 и каналы 15 и 16 с полостью 18, образованной коллектором 19 со штуцером 20, герметично присоединенным к диску 10. Каждый диск 8-10 снабжен кольцевыми канавками 21-23 с размещенным в них серебряным припоем, чтобы после установки пакета дисков 8-10 в корпус 1 и нагрева в вакуумной печи обеспечить герметичность разделения коллекторов 2 и 3 между собой, с камерой сгорания и окружающей средой.

Смеситель, изображенный на фиг. 4, также содержит соединенные между собой диффузионной сваркой в вакууме диски 8-10 форсуночные, укрепленные в корпусе 1 электронно-лучевой сварки или пайкой, и диски 24 и 25 с выполненными в них коллекторами 2 и 3 для подачи компонентов смеси.

В отличие от смесителя, изображенного на фиг. 1, в смесителе с кольцевыми проточками на диске 8 выполнены лишь отверстия 11, тангенциальные каналы 12 выполнены на лицевой части диска 9, а подводящие каналы 13 выполнены сквозными в дисках 9 и 10 и соединяют коллектор 2 с каналами 12. Кроме того, в нем также как и в варианте на фиг. 1, выполнены профилированные отверстия 14, а на лицевой части кольцевые проточки 26, соединяющие тангенциальные каналы 12 с камерами 27 закручивания. Тыльная сторона дисков 8 и 9 свободна от каких-либо каналов, зато на лицевой поверхности диска 10 выполнены тангенциальные каналы 15, а также проточки 28, соединяющие каналы 15 с отверстиями 14. Ширина проточек 26 и 28 не должна превышать ширины тангенциальных каналов 12 и 15, а площадь их проходного сечения должна быть сужающейся в направлении потока. В дисках 10 и 24 выполнены сквозные подводящие каналы 16, соединяющие коллектор 3 с тангенциальными каналами 15. Профили отверстий 11 и 14 должны образовывать уступ 29, достаточный для размещения за ним жидкостной закрученной пелены компонента смеси, подаваемого к периферийной ступени форсунки из тангенциальных каналов 12. Сквозные подводящие каналы 13 и 16 ориентированы гексагонально (фиг. 5) соответственно расположению питаемых ими тангенциальных каналов 12 и 15, а выполненные на лицевой части дисков 24 и 25 коллекторы 2 и 3 соединяют между собой соответственно каналы 13 и 16. В конструкции, изображенной на фиг. 4 и 5, коллекторы 2 и 3 выполнены по образующим шестигранников (сотовыми), но могут быть применены любые другие формы, обеспечивающие соединение подводящих каналов 13 и 16 с патрубками 4 и 5 и герметичную изоляцию подводящих каналов 13 и 16 для того, чтобы предотвратить преждевременное смешение компонентов до их истечения в камерах 27 закручивания.

Каждый диск 8-10 и 24, 25 имеет притертые соприкасающиеся поверхности и при монтаже центрируется на штуцерах 30, чтобы обеспечить соосное расположение проточек 26 и 28, отверстий 11 и 14. На диске 8, примыкающем к корпусу 1, могут быть выполнены сквозные отверстия 31, соединенные с каналами 13 для подачи одного из компонентов смеси, предпочтительно имеющем восстановительную атмосферу паров, для предохранения стенки корпуса 1 от избыточных тепловых потоков.

Сборка смесителя осуществляется путем диффузионной сварки в вакууме дисков 8-10 и 24, 25 в специальном приспособлении (не показано) с последующей герметичной установкой пакета дисков 8-10 и 24, 25 с помощью сварки или пайки в корпус 1 или путем непосредственной сварки дисков в корпусе 1. При этом выполненные на дисках отверстия, проточки и канавки образуют при соединении дисков подводящие, тангенциальные и сопловые каналы форсунок.

Центробежный смеситель работает следующим образом.

Вначале с небольшим опережением по времени (≈ 0,005 с) подают жидкий реагент (предпочтительно горючее в случае использования в камере сгорания) через штуцер 4 в коллектор 2, откуда оно по каналам 13 поступает равномерно к тангенциальным каналам 12, попутно охлаждая диск 8, и в виде закрученного в них потока равномерно растекается по профилированным отверстиям 11, истекая с их среза в виде тонкой жидкостной пленки, диспергирующейся на капли. Затем подают другой реагент через штуцер 4 в коллектор 3, откуда он по каналам 16 поступает к тангенциальным каналам 15 и в виде закрученного в них потока равномерно растекается по профилированным отверстиям 14 и истекает в виде тонкой жидкостной пелены на поверхность пелены первого реагента, текущей по профилированному отверстию 11. Выполнение профилей отверстий 11 и 14 вогнутыми обусловливает прижатие пелен реагентов к стенкам отверстий 11 и 14 и друг к другу под действием центробежных сил. Далее, спустя некоторое время запаздывания, зависящее от вида реагентов, их температуры и других физических параметров, между ними происходит жидкофазная реакция, сопровождающаяся выделением тепла и нестабильных продуктов неполного нитрирования (в случае использования в качестве одного из реагентов четырехокиси азота). Время пребывания реагентов в пространстве, ограниченном стенкой отверстия 11, должно быть оптимизировано с учетом предотвращения ее обгорания в случае чрезмерного тепловыделения на стенке, а также затягивания жидкофазных реакций за счет отвода их тепла в стенку диска 8. Обычно длина отверстия 11 не должна превышать одного калибра и составлять 1,8-2,0 мм. Конкретная величина определяется родом реагентов. Дальнейший ход жидкофазных реакций происходит в двухкомпонентных каплях, истекающих из отверстий 11 реагентов, а начавшиеся в продуктах испарения капель газофазные реакции приводят к резкому нарастанию выделения тепла, прогреву и испарению капель реагентов. Часть продуктов реакции обратными токами засасывает внутрь отверстий 11 и 14, тем самым осуществляется предварительный прогрев реагентов перед их смешением, что убыстряет жидкофазные реакции.

При отключении смесителя, первым отключают подачу реагента через центральные форсунки.

В случае выполнения смесителя с кольцевыми проточками (фиг. 4) возможна одновременная подача реагентов по каналам 13 и 16, так как ввиду наличия проточки 26 жидкость, истекающая по профилированной стенке отверстия 14, не попадает в каналы 12 и 13. Следует отметить, что выполнение отверстий 11 и 14 профилированными, расширяющимися по ходу потока, обуславливает истечение жидкости из них с существенно более острым факелом, чем из цилиндрических отверстий, общепринятых в форсунках, что и обеспечивает предотвращение попадания реагента через отверстия 14 в проточку 26. Кроме того, выполнение проточек 26 и 28 повышает равномерность распределения реагентов по окружности отверстий 11 и 14, что повышает полноту реакции между ними. Наконец, выполнение проточек 26 и 28 перераспределяет перепад давления между тангенциальными каналами 13 и 15 и камерами закручивания, образованными отверстиями 11 и 14, что позволяет выполнять каналы 12 и 15 с большим проходным сечением для пропуска того же расхода жидкости, чем в смесителе, изображенном на фиг. 1, и снижает требование к точности их выполнения.

В целом, предложенное выполнение смесителя обеспечивает надежный контакт тонких жидкостных пелен реагентов, стабилизированных на вогнутых стенках отверстий 11 и прижимаемых одно к другой центробежной силой, что обуславливает минимизацию времени задержки воспламенения и выхода на режим.

Формула изобретения

1. ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий корпус, герметично установленные в корпусе, плотно соединенные один с другим диски с выполненными в них отверстиями, канавками и проточками, образующими в сборке центробежные форсунки и соединенные с ними подводящие каналы, одни из которых выполнены тангенциально форсункам, отличающийся тем, что камеры закручивания центробежных форсунок выполнены плавно расширяющимися по ходу потока, при этом стенки камер соседних дисков образуют кольцевой уступ, к которому примыкают тангенциальные каналы менее плотного компонента смеси, а угол раскрытия камер закручивания уменьшается к выходу из смесителя.

2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что между тангенциальными каналами и камерами закручивания в дисках выполнены кольцевые проточки, проходное сечение которых от тангенциальных каналов до камер закручивания выполнено плавно сужающимся.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6