RU2424U1 - Пневматическая форсунка - Google Patents

Abstract

1. Пневматическая форсунка внутреннего смешения с закруткой газа, содержащая корпус, трубопровод для подвода жидкости, вкладыш с винтовой направляющей и полость смешения, отличающаяся тем, что вкладыш выполнен в виде круговой лопаточной решетки с каналами для прохода газа, а полость смешения в виде кольцевой камеры, размеры которой определяются из соотношенийгде h, h, h- высота кольцевой камеры для наружного радиуса R, промежуточного радиуса R и внутреннего радиуса R, при этом размеры и расположение каналов круговой решетки для прохода газа определяются следующими соотношениями:где а - ширина канала;G- расход газа;S- плотность газа;C- скорость газа на выходе из каналов, достаточная для дробления капель до заданного размера Д;n - число каналов круговой решетки;h- высота кольцевой камеры на наружном радиусе R;α - угол наклона каналов круговой решетки к плоскости ее выходного сечения;h- высота кольцевой камеры при внутреннем радиусе R;G- расход капель,где S, S- плотности капель и газа;С- коэффициент аэродинамического сопротивления капель жидкости.2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая камера на боковых поверхностях имеет кольцевые выступы.

Description

-УJW/7(P(J3

Пневматическая форсунка

Предлагаемая полезная модель относится к области распылителей жидкости, применяемых в различных отраслях техники и может быть использована для распиливания различного вида жидкостей, в том числе, вязких и содержащих значительное количество растворенных и взвешенных веществ.

Известна пневматическая форсунка высокого давления для распиливания жидкостей с повышенной вязкостью и содержанием растворенных и взвешенных веществ, содержащая каналы для подвода жидкости и гааа, кольцевую щель, образованную конусом и дефлектором и окно для подачи вторичного воздуха (см., например, Пажи Д.Г., Гадустов B.C. Распылители жидкостей - М., Химия, 1979, стр.154-156, рисЛУЛЗа).

В этой форсунке первоначально организуется течение жидкости в виде пленки на поверхности конуса, а затем дробление ее струями газа. Недостатком указанной форсунки является недостаточно хороший распыл вязких жидкостей из-за одноступенчатого процесса дробления. Такие форсунки даяьнобойны, т.к. после процесса дробления поток газа о каплями обладает большой кинетической энергией и уменьшить ее, например, с помощью диффузора практически трудно. Кроме того, форсунки подвержены засорению подводящих каналов и образованию нагара на поверхностях.

Известна также пневматическая форсунка внутреннего смешения с закруткой газа, содержащая корпус, каналы для подвода жидкости. По оси корпуса форсунки смонтирована вставка, снабженная наружной винтовой направляющей для закрутки газа, поступающего в полость смешения (см., например, Пажи Д.Г., Гаяустов B.C. Распылители жидкостей -Id., Химия, 1979, етр.149-150, рисЛУ.б)

Жидкость по каналу и далее через сопло в винтовой вставке подается в полость смешения, где образует пленку на внутренней поверхности, которая вытекает из сопла и дробится вращающимися потоком газа.

МКИ КЗДОЛО

жидкости из-за невозможности воздействия на капли, образующиеся после дробления пленки, ухудшение распила по этой же причине в увеличением вязкости жидкости. Винтовая направляющая для закрутки газа предназначена только для равномерного распределения пленки по окружности форсунки. Высокая дальнобойность форсунки вследствии сравнительно больших скоростей газа в сопле, необходимых для обеспечения требуемого распила. Подверженность засорению из-за относительно малых размеров сопла в винтовой вставке для подачи жидкости в полость смешения.

Целью полезной модели является улучшение распила пневматической форсунки высокого давления и повышение ее эксплуатационных качеств путем снижения опасности засорения каналов.

Указанная цель достигаются тем, что в пневматической форсунке внутреннего смешения с закруткой газа, содержащей корпус, трубопровод для подвода жидкости, вкладыш с винтовой направляющей и подсеть смешения, вкладыш выполнен в виде круговой лопаточной решетки с каналами для прохода газа, а полость смешения в виде кольцевой камеры, размеры

которой определяются из соотношений

/ ; А, -Я-я

у

где /ц-Г - высота кольцевой камеры для наружного радиуса RJ

промежуточного радиуог&и внутреннего радиуса Kgt при этом размеры и расположение каналов круговой решетки для прохода

газа определяются следующим, соотношением

Јг

/ /:уf,,,,fe +бг) Г&Г - ,.&. . ,

л -&Ј(. С Ь - у i х, ЫЪА fyfMhi

Јi

fca,

. -J/&M

Сг - скорость газа на выходе из каналов, достаточная для дробления капель до заданного размера Дк; п - число каналов круговой решетки ; fii - высота кольцевой камеры на наружном радиусе RJ ; - угол наклона каналов круговой решетки к плоскости ее выходного сечения;

/L - высота кольцевой камеры при внутреннем радиусе Eg; fe - расход капель;

, 4&

А --, У г-

J S ч, С и

где ЛД- плотности капель и газа;

С - коэффициент аэродинамического сопротивления капель жидкости.

При этом, кольцевая камера на боковых поверхностях имеет кольцевые выступы.

Предлагаемое решение позволит получить необходимый распил капель с большей гарантией, чем в известных пневматических форсунках Это связано с организацией центробежных сил за счет вращения потока газа в кольцевой камере. Капли, имеющие размер, больший заданного диаметра Дк, центробежными силами будут отброшены к круговой решетке, где процесс дробления жидкости повторяется. При принятых размерах камеры и каналов решетки из форсунки могут выйти только капли меньшего размера, чем Дк, Кроме того, снижается уровень скоростей газа и капель на выходе из форсунки, в результате чего уменьшается такой нежелательный фактор их работы как дальнобойность факела форсунки. Таким образом, улучшается распил форсунки и повышаются ее эксплуатационные качества путем снижения опасности засорения каналов.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.Х схематически изображена пневматическая форсунка ; на фиг.2- сечение А- А на фир.1.

вую камеру 5, выходное отверстие 6, отверстия 7 для прохода жидкости в кольцевую камеру 5. Кольцевая камера 5 на боковых поверхностях имеет кольцевые выступы 8,

Форсунка работает следующим образом.

Поток сжатого газа поступает в корпус I форсунки и через каналы 4 круговой решетки 3 вытекает в кольцевую камеру 5, Скорости истече ния газа из каналов 4 достаточно велики (примерно равны скорости звука).

Жидкость по трубопроводу Z и через отверстия 7, расположенные непосредственно за круговой решеткой 3 поступает в кольцевую камеру 5. Скорость подачи жидкости относительно невелика 2-10 м/с. В кольцевой камере 5 происходит первоначальное дробление поступающей жидкости,которая отбрасывается центробежными силами потока газа к выходным кромкам круговой решетки 3, Данные капли, по результатам расчетов по разработанной специальной программе, из-за своих больших размеров при первоначальном дроблении полностью сепарируют на выходные кромки круговой решетки 3. Образующаяся при этом на лопатках решетки пленка стекает с них и дробится потоком газа до заданных размеров Дк. В кольцевой камере 5 происходит разгон этих капель и, далее, вращение по спирали к выходному отверстию 6.

После того, как капля достигла выходного сечения кольцевой камеры 5 она попадает в поток с осевой скоростью газа и выносится через выходное отверстие 6 форсунки наружу. Размеры выходного отверстия 6 или, соответственно, радиус выходного сечения кольцевой камеры 5 определяются приведенным выше выражением. Если капля имела размер,больший Дк, то она вновь перемещается от центра к периферии вращающегося потока, сепарирует на лопатки круговой решетки 3 и снова повторяет описанный выше процесс.

41 -I-

Для предотвращения чрезмерно большого расхода жидкости на боковых поверхностях кольцевой камеры 5 имеются выступы 8. Капли жидкости,сепарировавшие после круговой решетки 3 на боковые поверхности кольцевой камеры 5 в отсутствии выступа стекали бы в выходное отверстие 6 и далее, дробилсь бы обычным образом, с описанными выше недостатками При наличии выступа стекающая с него вовну$ь пленка дробится вращающимся потоком газа. Образующиеся капли имеют размер, больший Йк, так как скорости газа в данном месте меньше, чем на выходе из решетки Эти каши отбрасываются центробежными силами назад, к решетке, вновь дробятся и выносятся потоком через выходное отверстие вместе с остальными каплями. Размеры выступа достаточно малы, чтобы не существенно исказить поле скоростей газа в кольцевой камере.

Для нормального функционирования форсунки необходим правильный выбор величины скорости газа на выходе из каналов 4 круговой решетки 3. Бе значение Сг рационально выбирать такой, чтобы размеры образующихся капель после дробления их потоком газа были равны заданному диаметру Дк Размеры капель после дробления потоком газа могут быть определены, например, по соответствующим критериям Вебера иди рекомендациям указанной выше монографии.

Кольцевая камера 5 формирует нужное поде скоростей, которое не выпускает из себя частицы выше заданного размера В этом случае центробежные силы выпустят из камеры только те капли, размер которых меньше Дк. В камере сохраняется момент количества движения (не учитывая трение потока о стенки) и поэтому к моменту выхода газа к выходному отверстию 6 возрастают центробежные силы, т.е. увеличиваются окружные скорости газа, уменьшается радиус вращения. В результате образуется ловушка для капель размером, превышающим Дк. Бели бы камеры не было, то крупные капли после дробления уносились бы потоком газа. Причина этому - наличие осевой скорости газа и уменьшение центробежной силы по мере продвижения капли к центру (из-за вращения по закону твердо У / 7

го тела1). Без камеры, в первую очередь вследствие наличия осевой скорости газа и циркуляции потока газа (обратный ток) момент количества движения к центру резко падает. В камере же он снижается из-за трения потока газа о стенки и перераспределения его между газом и жидкостью. Трением о стенки, в первом приближении, пренебрегаем. Таким образом, образуется своеобразная ловушка - с одной стороны круговая решетка, с другой - центробежные силы в камере.

Цриведеяние выше расчетные соотношения получены с помощи системы шяышх уравнений, описывавших движение капель в потеке газа,

и представленных в книге Физические основы рабочего процесса в хамеpax сгорания воздушно-реактивных двигателей Раушенбах Б.В., Белый С. А., Беспалов И,В. и др. И., Машиностроение, 1964, с.526. Для расчетов по ней была специально разработана программа для ЭШ. Расчеты подтвердили принципиальную возможность получения описанной выше картины движения капель в кольцевой камере форсунки. После стабилизации вращающейся капли на каком-то текущем радиусе Низ уравнения движения капли

в радиальном направлении:

, З.Сш.СС-г. Г/ г & /Г Гг )г

УЈ.„ 71 (Си(,-Скъ)+(Сги, Сы) ,

cLV где ,- скорости капель в радиальном и окружном направлениях,

Сг, то же, газа, - время, плотности газа и капель, С ш - коэффициент аэродинамического сопротивления капель, Дк - диаметр капли, может быть получено следующее соотношение:,

о /ClU, ) п. /1

(

При его выводе учитывалось что окружные скорости капель и газа

практически одинаковы, а скорости и ускорения капель в радиальном направлении близки к нуле.

№ /Wjfo#0 таль разр ном высо полу где полу .. где, Это равенство позволяет определить величину известных осных величинах Используя дополнительно в расчетах уравнение не ывности для газа в сечении 2 &ъ (/ъгЗ, Jj. Уь &Ј Ј% имеем Г . . ( zaг Р пет-Р-F F T l«) А ,й. Здесь G-г- - расход газа, и Сг - скорости газа в радиальи окружном направлениях в выходном сечении кольцевой камеры, та кольцевой круговой камеры в выходном сечении. Используя равенства моментов количества движения в сечениях I и 2 6г Сг-ц.1 & (&г + (Гк)Сы2 &Ј чаем , /1 (тк. } Г -Г &Z (.1 & J Lszu,4 ( 3) индексы I и 2 относятся к параметрам в сечениях I и 2 При выводе уравнения (3) пренебрегалооь: трением газа о стенки различием екороетей капель и газа в сечении 2, скоростью капель в сечении I, тепломассообменом газа с каплями. Подставив соотношения (2) и (3) в равенство с чаем , . ; () , 2Уш& Ј$ Пользуясь уравнением расхода газа через каналы круговой решетки 6г - $ъ &ъ (5) С - скорость газа не выходе из каналов, п - число каналов, -//-&4 0Sft 0# / / C-iid-j

составлении уравнения (5) учитывалось, что скорость rasa Сгвнбиралась из условия достаточности для дробления жидкости до задан ного размера Дк Кроме того, высота каналовЈl принята равной высоте на входе газ в кольцевую камеру. Из равенства (5)

f -P(в)

JV

Вьшолним анализ влияния высоты камеры - для промежуточного значения It на полбенный реэултат. Рассмотрим облаять камеры, где произошло выравнивание скоростей капель и газа Повторяя швед уравнения (1) относительно параметров в выходном сечении 2, имеем:

Ј2±Ј. . - ПГ(7)

&ъъ у fl Здесь Сггг , Сгг - окружные и радиальные скорости гага на текущем

радиусе В, При выводе этого соотношения принималось, что значение А и размеры удерживаемых капель Дк для рассматриваемых величин R и R2 одинаковы

Из условия сохранения момента количества движения смеси имеем:

7- -л-V

(i-Us- K-z,

По уравнению расхода через кольцевые сечения для It и 12

t, ., ,

получаем

(Ь&Съ &,&-,(9)

Из приведенных равенств имеем

(10)

V

Последнее соотношение показывает, какой должна быть высота кольцевой камеры для того, чтобы удержать каплю заданного размера Дк. Если эта высота больше, то капли этого размера будут отброшены центробежными силами назад, к круговой решетке, если же меньше - то к выходу из кольцевой камеры будут двигаться капли больше заданного размера Дк. Оба эти отклонения высоты камеры нежелательны, так как они приво Й Й У

-1$ -&0ffe &ff

дят либо к перерасходу энергии газа на повторное дробление и разгон

капель, либо к укрупнению распыла. В связи с этим при проектировании форсунки ее высота должна выбираться с учетом равенства (10).

Порядок выполнения расчетов по приведенным уравнениям следующий.

Первоначально выбираются величины окоростей гаэа в выходном вечении 2, они зависят, в основном, от требуемого угла раскрытия факела. По ним е учетом расхода раза определяются радиус выходного отверстия Е2 и высота кольцевой камеры в этом месте /v2. Затем выбирается наружный радиус кольцевой камеры И и по соотношению (10) - величина п/1. Используя равенство (6) т выбранной скорости газа в канале С г- , числу каналов и другим известным величинам определяется ширина его проходного сечения а При зтом высота каналов принимается равной АI с тем, чтобы описанные выше физические процессы в кольцевой камере происходили равномерно во ее высоте В конце расчета со уравнению (4) находится угол}, наклона каналов к плоскости выходного сечения иа круговой решетки. Высоты кольцевой камеры п для промежуточных значений радиусов определяются по равенству (10).

В качестве примера рассмотрим работу форсунки с впрыском стоков в топку котла типа БКЗ-160-ЮО на ЦЗЦ-7 Ленвнерго.

Стоки в количестве 0,4 т/ч подаются по трубопроводу подачи жид кости Z е малой скоростью (до 4 м/с). Одновременно к корпусу I форсунки подводится пар под давлением 0,4 МПа. Весь перепад давления пара срабатывается в каналах круговой- решетки 3 на выходе не каналов его скорость составляет примерно 500 м/с Количество подаваемого пара 0,1 т/ч

Данная скорость вара на выходе из каналов решетки 3 обеспечивает дробление капель до заданного размера Дк 20 мкм.

Принимая среднюю скорость выхода пара из выходного отверстия форсунки 60 м/с, радиальную скорость пара - 60 м/с определяем радиусЈ2 0,015 м и А-2 0,01 м. Выбираем величину 22« 0,03 м, тогда ив (10)

0,014 u. Задаваясь размером капель в выходном отверстии Дк -20 /v/w, определяем требуемую для рас пыла жидкости скорость пар м/с. Размер каналов при принятом их количестве / 4 и высоте кольцевой камеры на входе -ИЛ 0,0X4 м составляет 2,0 им. В конце расчета в помощью уравнения (4) находится с 82,8 градусов.

22 w

Директор

П. В. Ильин

Claims (2)

1. Пневматическая форсунка внутреннего смешения с закруткой газа, содержащая корпус, трубопровод для подвода жидкости, вкладыш с винтовой направляющей и полость смешения, отличающаяся тем, что вкладыш выполнен в виде круговой лопаточной решетки с каналами для прохода газа, а полость смешения в виде кольцевой камеры, размеры которой определяются из соотношений

где h₁, h, h₂ - высота кольцевой камеры для наружного радиуса R₁, промежуточного радиуса R и внутреннего радиуса R₂, при этом размеры и расположение каналов круговой решетки для прохода газа определяются следующими соотношениями:

где а - ширина канала;
G_г - расход газа;
S_г - плотность газа;
C_г - скорость газа на выходе из каналов, достаточная для дробления капель до заданного размера Д_к;
n - число каналов круговой решетки;
h₁ - высота кольцевой камеры на наружном радиусе R₁;
α - угол наклона каналов круговой решетки к плоскости ее выходного сечения;
h₂ - высота кольцевой камеры при внутреннем радиусе R₂;
G_к - расход капель,

где S_к, S_г - плотности капель и газа;
С_ш - коэффициент аэродинамического сопротивления капель жидкости.

2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая камера на боковых поверхностях имеет кольцевые выступы.