Способ создания газокапельной двухфазной струи и устройство для его осуществления

Предлагаемое изобретение относится к технологии создания газокапельной струи, а именно высококонцентрированной двухфазной струи, содержащей капли жидкости или твердые частицы в газовом потоке. Такие струи могут использоваться в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива или в климатических установках, в устройствах абразивной обработки поверхностей, а также в других областях техники, где используются подобные струи. Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа образования газокапельной двухфазной струи, в котором согласно изобретению двухфазный поток ускоряют до скорости, равной или большей скорости звука в двухфазном потоке, при этом его давление уменьшают до давления, превышающего давление в среде истечения, путем вывода концевой части сопла из потока струи. Предлагаемый способ позволяет создать избыточное давление, которое приведет к увеличению угла распыления двухфазного потока. Технический результат в предлагаемом изобретении также достигают созданием устройства для создания газокапельной двухфазной струи, в котором согласно изобретению газодинамическое сопло выполнено составным из двух частей, причем одна из которых - концевая - установлена относительно другой части с возможностью или отклонения от оси потока, или вывода из него. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технологии создания газокапельной струи, а именно высококонцентрированной двухфазной струи, содержащей капли жидкости или твердые частицы в газовом потоке. Такие струи могут использоваться в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива или в климатических установках, в устройствах абразивной обработки поверхностей, а также в других областях техники, где используются подобные струи.

Известно, что для получения высокоскоростной струи предварительно полученное в камере смешения двухфазное рабочее тело (смесь газа с каплями или частицами) ускоряют в газодинамическом сопле, используя энергию давления газа. При этом особенностью высококонцентрированных двухфазных струй, получаемых в прямых осесимметричных соплах, является малый угол раскрытия, менее одного градуса.

Известно, что скорость звука в двухфазных средах может быть существенно ниже, чем в каждой из фаз, газовой, жидкой или твердой. При высокой концентрации конденсированной фазы скорость звука в двухфазном потоке может быть на порядок меньше, чем в газе. Например, при нормальных условиях скорость звука в газокапельной смеси может составить 30 м/с, тогда как скорость звука в газовой фазе 330 м/с (Г.Уоллис “Одномерные двухфазные течения” М.: Мир, 1972 г., с.163-168).

Известен способ распыления жидкости, включающий смешивание жидкости с сжатым воздухом и последующее распыление смеси, причем отношение суммарного объемного расхода сжатого воздуха к объемному расходу распыляемой жидкости выбирают от 1 до 2,5 (см. а.с.№822915, кл. В 05 В 7/04, 1977 г.).

Недостатком данного способа является значительное количество воздуха, который используют на предварительном этапе смешения и дополнительно на этапе распыления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ создания газокапельной двухфазной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (Патент РФ №2107554, кл.А 62 С 31/02, 1998).

Недостатком известного способа являются ограниченные возможности по изменению угла распыления такой струи.

Такое изменение угла раскрытия струи необходимо по технологическим требованиям.

Известен распылитель жидкости, включающий корпус с проточным каналом, который состоит из последовательно сопряженных и соосных друг другу входного участка в форме конического конфузора, цилиндрического участка и выходного участка в форме конического конфузора (см. Патент РФ №2184619, кл. В 05 В 1/00, 2001 г.).

Недостатком известного устройства является постоянство угла распыления газокапельного потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является устройство для создания газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло (Патент РФ №2107554, кл. А 62 С 31/02, 1998).

Недостатками этого способа являются потери полезной кинетической энергии струи, в частности скорости потока, и отсутствие возможности получения увеличенного угла распыления без применения специальных технических устройств, например форсунок.

Задачами, решаемыми предлагаемой группой изобретений, являются обеспечение формирования газокапельного двухфазного потока способом, позволяющим повысить эффективность работы устройства за счет более рационального использования энергии жидкости, позволяющего увеличить угол раскрытия газокапельной двухфазной струи.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа создания газокапельной двухфазной струи, включающего подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока, в котором согласно изобретению двухфазный поток ускоряют до скорости, равной или большей скорости звука в двухфазном потоке, при этом его давление уменьшают до давления, превышающего давление в среде истечения.

Предлагаемый способ позволяет создать избыточное давление, которое приведет к увеличению угла распыления двухфазного потока.

Технический результат в предлагаемом изобретении также достигают созданием устройства для создания газокапельной двухфазной струи, включающего камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло, в котором согласно изобретению газодинамическое сопло выполнено составным из двух частей, причем одна из которых - концевая - установлена относительно другой части с возможностью или отклонения от оси потока, или вывода из него.

Использование предлагаемой группы изобретений дает возможность более эффективно использовать энергию жидкости, преобразуя ее в максимальной степени в кинетическую энергию, направленную вдоль оси струи, и на ее распыление в поперечном оси потока направлении.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод: предлагаемые изобретения обеспечивают решение поставленной задачи с наибольшей эффективностью использования полезной энергии.

Предлагаемая группа изобретений поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где

на фиг.1 показана схема устройства для осуществления способа для создания газокапельной двухфазной струи;

на фиг.2 показана схема устройства для осуществления способа для создания газокапельной двухфазной струи с выведенной концевой частью из потока струи.

Устройство для создания газокапельной двухфазной струи включает камеру 1 формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости (твердых частиц) 2 и газа 3, связанное с ней газодинамическое сопло. Газодинамическое сопло предназначено для ускорения газокапельного потока дисперсной структуры и получения газокапельной (газ-твердые частицы) струи. Оно может быть выполнено как обычное сопло, так и кольцевым для компактирования струи.

Газодинамическое сопло состоит из двух частей, причем концевая часть 4 установлена относительно второй части 5 с возможностью или отклонения от оси потока, или вывода из него. Устройство снабжено механизмом 6 разъединения частей сопла.

Механизм 6 позволяет выводить концевую часть 4 сопла из потока путем отклонения ее от осевого направления потока.

Механизм 6 может быть установлен на части 5 или на обеих частях сопла.

Рассмотрим, каким образом осуществляют предлагаемый способ для создания газокапельной двухфазной струи.

Рабочие тела жидкость (твердые частицы) и газ направляют в камеру 1, где жидкость диспергируется, смешивается с газом, создавая поток газокапельной структуры, который направляют в газодинамическое сопло, где его ускоряют до получения на выходе из части сопла 5 скорости потока, равной или больше скорости звука в двухфазном потоке. Дальнейшее ускорение потока происходит в концевой части сопла 4, при этом на выходе из этой части сопла поток имеет небольшой угол распыления, а давление равно давлению окружающей среды.

Для увеличения угла распыления концевую часть сопла 4 с помощью механизма 6 разъединяют с частью сопла 5 и выводят ее из потока путем поворота в любой плоскости оси концевой части.

Новое положение концевой части 4 сопла показано на фиг.2.

В предлагаемом способе создают скорость потока, равную или большую скорости звука на выходе из части 5 сопла, тогда давление на срезе этой части 5 сопла будет превышать давление в среде, куда происходит истечение. Так, при тушение пожаров, например, средой истечения может быть воздух, вода, легковоспламеняющиеся вещества и т.д., давление их среды будет различным.

В этом случае истекающая струя начинает расширяться, срабатывая избыточное давление, в том числе и в направлении, перпендикулярном оси потока. В результате отклонения концевой части 4 сопла от оси сопла и вывода его из потока угол распыления струи увеличивается.

Предлагаемый способ создания газокапельной двухфазной струи и устройство для его реализации были опробованы. Испытания были проведены при следующих параметрах:

Рк=5×10⁵ Па - давление в камере смешения;

Gж=0,4 кг/с - массовый расход жидкости;

Gr=0,01 кг/с - массовый расход газа;

Pa=1×10⁵ Па - давление в среде, куда истекает струя.

В результате эксперимента на сопле при использовании соединенных обеих частей сопла (целое сопло) угол распыления струи не превышал 0,5 градуса.

При использовании предлагаемых способа и устройства, когда в его работе используют только часть сопла 5 при отклоненной концевой части 4, граничные условия сохранялись (давления и расходы), а угол распыления струи составил 15 градусов.

Полученные результаты по распространению газокапельной двухфазной струи свидетельствуют о том, что параметры, выбранные в соответствии с вышеуказанными условиями, и организация процесса получения струи в соответствии с предложенным способом позволяют регулировать угол распыления струи с максимальным использованием энергии струи (отсутствуют потери полезной энергии).

1. Способ создания газокапельной двухфазной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного потока до скорости, равной или большей скорости звука в двухфазном потоке, отличающийся тем, что давление двухфазного потока на выходе из сопла уменьшают до давления, превышающего давление в среде истечения путем вывода концевой части сопла из потока струи.

2. Устройство для создания высококонцентрированной газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входами для подачи жидкости и газа и связанное с ним газодинамическое сопло, отличающееся тем, что газодинамическое сопло выполнено составным из двух частей, причем одна из которых – концевая - установлена относительно второй части с возможностью вывода ее из потока.