Способ создания газокапельной струи и устройство для его выполнения

Изобретение относится к технологии получения высококонцентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель. В способе создания газокапельной струи двухфазный поток пузырьковой структуры или тормозят до скорости, обеспечивающей давление, равное давлению в камере смешения, или разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в двухфазном потоке. Газ для создания двухфазных потоков пузырьковой структуры и газокапельной структуры получают эжектированием воздуха из окружающей среды. Двухфазный газокапельный поток тормозят в диффузоре. Техническим результатом изобретения является повышение экономии энергетических затрат, создание двухфазного газокапельного потока за счет использования окружающего воздуха. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к технологии получения высококонцентрированных струй, имеющих большую дальность и мелкодисперсный состав капель.

Предлагаемая группа изобретений может быть использована в противопожарной технике, сельском хозяйстве для полива и других отраслях, где необходимы мелкодисперсные и дальнобойные газокапельные струи.

Известны способы создания жидкостных струй, одни из которых обеспечивают дальнобойность за счет увеличения давления в системе подачи жидкости, а другие за счет подачи потока газа в сопло установки.

Известен способ создания газокапельной струи, включающий использование эжектирующего действия газовой струи, подаваемой в газоструйный насадок сопла, для разгона жидкости и увеличения дальности полета струи (а.с. СССР №380279, по кл. A01G 25/00, 1973).

Известен способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком и ускорение полученного двухфазного газокапельного потока (Патент РФ №2107554, по кл. А62С 31/02, 1998).

Недостатками известного способа являются ограниченный характер используемых путей формирования двухфазного потока, снижающих эффективность газокапельной струи, в частности, потери кинетической энергии жидкости при формировании дисперсного потока газокапельной структуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком, при этом жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно, предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры, путем подачи части газа в жидкость, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа (см. Патент РФ №2243036, по кл. В05В 7/00, 2003 г.).

Недостатком известной конструкции является ограниченный характер используемых путей формирования двухфазного потока, снижающих эффективность газокапельной струи, в частности потери кинетической энергии жидкости при формировании дисперсного потока газокапельной структуры.

Известно устройство - распылитель жидкости, включающее систему подачи жидкости, который состоит из последовательно сопряженных и соосных друг другу входного участка в форме конического конфузора, цилиндрического участка и выходного участка в форме конического диффузора (см. Патент РФ №2184619, по кл. В05В 1/00, 2001 г.).

Недостатком известной конструкции является зависимость ее работы от параметров потока, определяющих возникновение режима кавитации, обеспечивающего дробление жидкости и получение газокапельного потока.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является устройство для создания газокапельной струи, включающее камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входом для подачи газа, установленную внутри нее камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, связанную с входом подачи жидкости и имеющую вход подачи газа (Патент РФ №2243036, по кл. В05В 7/00, 2003 г.).

Техническим результатом, решаемым предлагаемой группой изобретений, является создание способа и устройства для его осуществления, позволяющих создать двухфазный газокапельный поток за счет использования окружающего воздуха и тем самым экономить энергетические затраты.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа создания газокапельной струи, включающего подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком, при этом жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно: предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры, путем подачи части газа в жидкость, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа, в котором, согласно изобретению, скорость двухфазного потока пузырьковой структуры больше скорости звука, а газ для создания двухфазных потоков пузырьковой структуры и газокапельной структуры получают эжектированием воздуха из окружающей среды, при этом двухфазный газокапельный поток тормозят в диффузоре.

Использование эжектирования воздуха позволяет исключить затраты энергии на его сжатие и, таким образом, снизить энергетические затраты на создание газокапельной струи. Кроме этого, такой способ позволяет сократить длину канала, в котором протекает взаимодействие фаз капель и газа. Если раньше (в предыдущих изобретениях) газ использовался для разгона капель, а капли достаточно инерционны, приходилось для получения струи с заданными характеристиками делать сопловой канал достаточно протяженным: порядка 15-20 калибров выходного диаметра сопла. В предлагаемом изобретении жидкость разгоняет газ, а он малоинерционен (газ примерно в 1000 раз легче жидкости), поэтому канал для разгона газа при смешении и торможении в диффузоре получается намного короче (порядка 5-10 калибров выходного диаметра диффузора). При этом предполагается, что выходные диаметры сравниваемых каналов и параметры получаемых струй одинаковы.

Дополнительно введение в газокапельную струю внутреннего газового коаксиального потока того же направления позволяет увеличить дальность действия созданной газокапельной струи.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием устройства для создания газокапельной струи, включающего камеру формирования двухфазного газокапельного потока с входом для подачи газа, установленную внутри нее камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, связанную с входом подачи жидкости и имеющую вход подачи газа, в котором, согласно изобретению, камера формирования двухфазного потока пузырьковой структуры снабжена сверхзвуковым соплом (расширяющимся), а камера формирования двухфазного газокапельного потока снабжена диффузором. Такое конструктивное решение позволяет на основе предлагаемого способа сократить длину конструктивных элементов, используемых для смешения и разгона фаз по крайней мере вдвое.

Снабжение устройства внутренним коаксиальным каналом, соосным с камерой формирования двухфазного газокапельного потока, и диффузором и имеющим вход подвода газа. Использование внутреннего газового потока позволяет при прочих равных условиях увеличить дальность полета двухфазной газокапельной струи без увеличения расхода жидкости. Это важно в особенности при тушении пожаров, где вода является самым дорогим рабочим телом. Данный способ позволяет экономить воду.

Совместное использование предлагаемой группы изобретений дает возможность более эффективно использовать энергию жидкости, преобразуя ее в максимальной степени в кинетическую энергию, направленную вдоль оси газокапельной струи путем передачи части своей тепловой энергии эжектируемому газу, которую затем используют для увеличения кинетической энергии жидкости.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что предлагаемая группа изобретений повышает эффективность газокапельной струи при меньших энергетических затратах.

Получаемый дисперсный поток капель имеет меньший размер, чем в известных способах.

Это позволяет получать более высокую скорость жидкости на выходе из газокапельного сопла и, следовательно, в диапазоне определенных размеров большую дальность струи при прочих равных условиях, и улучшение тушащих свойств струи, так как более мелкие капли быстрее испаряются.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных способах создания газокапельной струи и устройствах для его осуществления, т.е. группа предлагаемых решений соответствует критерию «новизна».

При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся способами создания газокапельной струи и устройствами для их осуществления, они явным образом не следуют из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию изобретения «изобретательский уровень».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления группы изобретений.

Предлагаемая группа изобретений поясняется нижеследующим описанием и чертежами, на которых:

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

на фиг.2 показана схема устройства для осуществления способа создания газокапельной струи с дополнительным внутренним газовым соплом.

Устройство для создания газокапельной струи включает камеру 1 формирования двухфазного газокапельного потока с входом для подачи жидкости 2 и входом для подачи газа 3, связанный с ней газодинамический диффузор 4, камеру 5 формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, которая установлена в камере 1 формирования двухфазного газокапельного потока, связана с входом подачи жидкости 2 и имеет вход подачи газа 14.

Входы подачи жидкости 2 и газа 3 связаны с узлами подачи жидкости 6 и газа 7.

Камера 5 формирования двухфазного потока пузырьковой структуры выполнена с центральным каналом, состоящим из последовательно соединенных между собой цилиндрического участка 8 и конического участка, например сопла 9 (или диффузора).

При этом цилиндрический участок 8 камеры связан с входом подачи жидкости 2 посредствам сопла для жидкости 10, которое предназначено для процесса разгона потока жидкости.

Камера 1 формирования двухфазного газокапельного потока, камера 5 формирования двухфазного потока пузырьковой структуры и газодинамический диффузор 4 образуют камеру 11 смешения для формирования газокапельного потока дисперсной структуры.

Газодинамический диффузор 4 предназначен для торможения газокапельного потока дисперсной структуры и получения газокапельной струи.

Он может быть выполнен как обычный канал, так и кольцевым с центральным каналом для подачи дополнительного газового потока.

Рассмотрим, как можно осуществить предлагаемый способ создания газокапельной струи.

Рабочее тело (газ) распределяют на два потока: часть газового потока направляют на формирование двухфазного потока пузырьковой структуры, второй используют в газокапельном диффузоре 4 для торможения двухфазного потока дисперсной (газокапельной) структуры. Еще одну часть газового потока используют для подачи внутри двухфазного потока через канал 12.

Двухфазный поток пузырьковой структуры получают путем подмешивания части газа к жидкости. Это можно производить на разных стадиях способа: либо в сопле 10 для подачи жидкости, либо после ее предварительного разгона для снижения давления в камере 5 формирования двухфазного потока пузырьковой структуры.

Полученный двухфазный поток пузырьковой структуры, созданный смешением жидкости и части потока газа либо тормозят до скорости, обеспечивающей давление, равное давлению в камере 11 смешения, либо разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в двухфазном потоке.

С этой целью для разгона жидкости можно использовать сопло 10 для подачи жидкости, для смешения и получения пузырькового потока камеру 8 формирования двухфазного потока пузырьковой структуры, для разгона пузырькового потока сопло 9. Это сопло может играть роль диффузора при торможении пузырькового потока.

После процесса разгона или торможения пузырькового потока его направляют в камеру 11 смешения, куда одновременно подают оставшийся поток газа. Расход газа Gг1 для получения потока пузырьковой структуры выбирают из условия, Gг1<G_ж P=RTρ_г, где

G_ж - массовый расход жидкости,

Gг1 - массовый расход газа, смешиваемого с жидкостью для получения пузырькового потока,

Р - давление в области подачи части газа в жидкость при формировании потока пузырьковой структуры,

R - газовая постоянная газового потока,

Т - температура газожидкостной смеси пузырькового потока,

ρ_г - плотность газа.

В качестве жидкости может использоваться вода или другая жидкость.

Пузырьковый поток после сопла 9 (или диффузора) разрушается под действием возникающих либо кавитации, либо ударных волн, образуя газокапельную смесь на выходе, которую направляют в камеру 11 смешения, где происходит его дальнейшее интенсивное разрушение в зависимости от значений параметров, т.е. переходом из пузырьковой структуры в дисперсную с образованием мелких капель.

Одновременно в эту камеру 11 смешения поступает оставшийся поток газа, который смешивают с дисперсным потоком жидкости, образуя газокапельную смесь.

Полученную таким образом газокапельную смесь направляют в диффузор 4, в котором тормозят ее до заданной скорости и создают на выходе из диффузора 4 газокапельную концентрированную струю с мелкодисперсными каплями.

Затем для повышения дальности распространения созданной ранее струи в газокапельную струю помещают в дополнительный внутренний газовый коаксиальный поток того же направления, который создают в дополнительном канале 12.

Для этого вход подвода газа 13 подсоединяют или к узлу 7 подвода газа, или к самостоятельному источнику питания 15.

Внутренняя газовая струя, вытекающая из канала 12, обеспечивает на определенном расстоянии, по крайней мере, отсутствие торможения газокапельной струи. Это расстояние определяется дальностью распространения газовой струи.

В качестве источника газа может быть использована турбокомпрессорная установка либо газ (воздух) могут эжектировать из окружающей среды.

Турбокомпрессорная установка может быть снабжена насосом для обеспечения необходимых параметров жидкости.

Установка при необходимости может быть выполнена мобильной, для этого она снабжается транспортным средством, например автомобильным, вертолетным, самолетным, морским.

Параметры устройства для осуществления предлагаемого способа, такие как давление Рк в камере 11 смешения, массовые секундные расходы жидкости G_ж, газа Gг1 (газ подмешиваемый в камере 5), газа Gг2 (газ подмешиваемый в камере 11) и Gг3 (газ подаваемый через канал 12); начальное давление жидкости Р_ж выбирают из условия получения заданной длины распространения струи.

Как показывают расчеты, предложенный способ получения газокапельного потока в камере смешения и снижения дисперсности капель позволяет увеличить скорость капель жидкости в струе и увеличить эффективность струи при прочих равных условиях.

Работу предлагаемой группы изобретений осуществляют следующим образом.

Устройство перемещают в исходное положение, например, с помощью транспортирующего средства (на чертеже не показано). Диффузор 4 с потоком газокапельной структуры и газовым потоком канала 12 направляют в сторону объекта, к которому должна осуществляться подача газокапельной струи.

Подачу жидкости в устройство производят через узел 6 подачи жидкости.

При этом подачу одной части газа через узел 7 и вход 14 осуществляют в камеру формирования двухфазного потока пузырьковой структуры для получения пузырькового потока и оставшейся части газа через узел 7 и вход 3 в камеру 11 смешения.

Пузырьковый поток разгоняют в сопле 9 до сверхзвуковых скоростей по скорости звука в двухфазной среде либо тормозят до скорости, обеспечивающей получение на выходе из сопла 9 (диффузора) с пузырьковой структурой до давления, равного давлению в камере 11 смешения, и затем направляют в камеру 11 смешения, где происходит дальнейшее формирование структуры газокапельного потока, дробление жидкости и образование мелкодисперсного газокапельного потока.

Другую часть газового потока через узел 7 и вход 3, также поступающую во вторую камеру 11 смешения, смешивают с каплями, формируя дисперсный газокапельный поток, который поступает в газокапельный диффузор 4, а там его тормозят до заданной скорости, создавая мелкодисперсную высококонцентрированную газокапельную струю. Газ из устройства 14 через вход 13 подают во внутренний канал 12.

Были проведены испытания при следующих параметрах:

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

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

G_Г1=0,0024 кг/с - массовый расход части газа, используемый для создания двухфазного пузырькового потока;

Gг2=0,01 кг/с - массовый расход газа, подмешиваемого в камере 11;

Gг3=0,05 кг/с - массовый расход газа, подаваемого через канал 12;

Р_ж=10×10⁵ Па - давление жидкости;

Р_г=2×10⁵ Па - давление газа, подаваемого внутри газокапельной струи.

Дальность распространения обычной холодной (температура ее соответствует температуре газа двухфазной струи) Lгаз газовой струи составляет величину порядка 100 калибров начального диаметра Dгаз газовой струи, т.е. Lгаз/Dгаз = 100.

Дальность газокапельной струи Lгазокап составляет величину порядка 1000 начального диаметра dгазокап, т.е. Lгазокап/dгазокап = 1000.

Сравнение с дальностью жидкостной струи при одинаковых начальных параметрах (давлении и расходе жидкости) показывает, что дальность газокапельной струи вдвое больше жидкостной.

Полученные результаты по распространению газокапельной струи свидетельствуют о том, что параметры, выбранные в соответствии с вышеуказанными условиями, и организация процесса получения струи в соответствии с предложенным способом позволяют повысить эффективность получаемой двухфазной газокапельной струи за счет более полного использования энергии жидкости и улучшения процесса ее диспергирования.

В частности, дальность полета струи увеличилась в 1,5 раза по сравнению с прототипом при одинаковых граничных условиях.

При начальном диаметре получаемой предлагаемым способом газокапельной струи, составляющем порядка 10 мм, дальность такой струи составляет 10 м (1000 калибров начального диаметра).

При испытаниях, проводимых с применением внутреннего спутного газового потока того же направления диаметром 5 мм, удалось увеличить дальность газокапельной струи до 15 м.

Представленные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого способа для создания газокапельной струи, а также устройства, с помощью которого реализуется способ, и возможность достижения технического результата, заключающегося в повышении эффективности газокапельной струи.

Наиболее эффективно использование изобретения в противопожарной технике при тушении пожаров на объектах, где необходимо использование минимального количества жидкости, большой дальности с максимальной эффективностью (снижение ущерба от самого процесса тушения), в климатических установках для сельского хозяйства, медицины, экологии и др.

1. Способ создания газокапельной струи, включающий подачу жидкости и газового потока, диспергирование жидкости, смешивание диспергированной жидкости с газовым потоком, при этом жидкость подают вдоль оси газокапельной струи, причем жидкость диспергируют поэтапно, предварительно создают двухфазный поток пузырьковой структуры путем подачи части газа в жидкость, а затем диспергированную жидкость смешивают с оставшейся частью газа, отличающийся тем, что полученный двухфазный поток пузырьковой структуры или тормозят до скорости, обеспечивающей давление, равное давлению в камере смешивания, или разгоняют до скорости, превышающей скорость звука в двухфазном потоке, а газ для создания двухфазных потоков пузырьковой структуры и газокапельной структуры получают эжектированием воздуха из окружающей среды, при этом двухфазный газокапельный поток тормозят в диффузоре.

2. Способ создания газокапельной струи по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в газокапельную струю вводят внутренний газовый коаксиальный поток того же направления.