Результат интеллектуальной деятельности: ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКАЯ СТЕРЖНЕВАЯ ФОРСУНКА

зобретение относится к механическим устройствам для распыления жидкостей, в которых используют ударные волны, создаваемые при торможении сверхзвуковых недорасширенных газовых струй, резонирующей полостью, и может быть использовано для создания в помещениях тумана для увлажнения воздуха в ткацких цехах, в теплицах, для обеззараживания медицинских помещений с помощью бактерицидных растворов.

Известно пневмоакустическое распылительное устройство, содержащее резонатор, газовое и водяное сопла, стержень, установленный с зазором относительно газового сопла, отличающееся тем, что величина зазора в нем выбрана δ=(0,03-0,055)λ, а глубина резонатора h=(3,0-5,0)δ, при этом λ - длина волны акустического излучения на рабочей частоте для инертного газа. Патент Российской Федерации №2130328, МПК: A62C 3/00, A62C 35/00, A62C 31/02, B05B 7/06, 1999 г.

Известна акустическая форсунка, содержащая корпус с размещенным внутри генератором акустических колебаний в виде резонатора и сопел для подвода воздуха и жидкости, ТВ которой корпус выполнен из верхней цилиндрической и нижней частей, соединенных, по крайней мере, двумя стержнями, причем верхняя цилиндрическая часть содержит штуцер с цилиндрическим и коническим соосными отверстиями для подвода распыляемого агента, например воздуха, а внутри штуцера, соосно ему, закреплено сопло с центральным отверстием для подвода жидкости, при этом сопло крепится посредством фиксирующих дисков, выполненных в виде, по крайней мере, трех упругих лепестков, взаимодействующих с внутренней цилиндрической поверхностью отверстия для подвода воздуха, а нижняя часть корпуса представляет собой кольцевой объемный резонатор с внутренней цилиндрической полостью, соосной соплу, в котором центральное отверстие для подвода жидкости оканчивается на срезе резонатора, выполненного в виде чашки с конической поверхностью со стороны сопла для подвода жидкости, при этом чашка выполнена заодно целое с шаровым сегментом, имеющим коническую поверхность, переходящую в кольцевую поверхность, контактирующую с внешней цилиндрической поверхностью резонатора. Отношение высоты h₁ полости резонатора к расстоянию h между срезом резонатора и нижней торцевой поверхностью сопла для подвода воздуха лежит в интервале величин: h₁/h=0,5÷1,5; отношение внутреннего диаметра d₁ резонатора к диаметру d₂ его внешней цилиндрической поверхности лежит в интервале величин: d₁/d₂=0,7÷0,9; отношение внутреннего диаметра d₁ резонатора к диаметру d сопла для подвода жидкости лежит в интервале величин: d₁/d=1÷3; отношение внутреннего диаметра d₁ резонатора к высоте h₁ полости резонатора лежит в интервале величин: d₁/h₁=1÷1,5.

Известен акустический распылитель для растворов, содержащий полый корпус со стенками, образованными конической и торцевыми поверхностями, с размещенным в нем резонатором и полостью для распыливающего агента в виде усеченного конуса с большим и меньшим основанием и укрепленную на полом цилиндрическом стержне, связанном с корпусом, распределительную головку для подачи раствора, при этом между стержнем и корпусом со стороны меньшего основания усеченного конуса, образующего полость, имеется кольцевой зазор, а резонатор выполнен в виде сферической полости, расположенной в торцевой стенке корпуса, обращенной к распределительной головке, причем сферическая полость соединена калиброванным отверстием с зазором между вертикальным отверстием в торцевой стенке корпуса и стержнем распределительной головки, причем в сечении, перпендикулярном оси стержня, зазор имеет кольцевое сечение, а распределительная головка выполнена в виде корпуса с крышкой в виде усеченных конусов, соединенных большими основаниями, причем в корпусе расположен коллектор в виде цилиндрической полости, соединенный кольцевым каналом, образованным внешней цилиндрической поверхностью полого стержня и соосными с ним отверстиями одинакового диаметра, выполненными соответственно в крышке и корпусе распределительной головки, с тремя равномерно размещенными по окружности и перпендикулярными оси стержня каналами для выхода раствора, причем срез отверстий расположен на конической поверхности крышки распределительной головки, угол наклона которой определяет корневой угол факела распыленного раствора. Патент Российской Федерации №2336129, МПК: B05B 17/06, 2008 г. Указанные форсунки имеют общий недостаток - невозможность получения капель менее 50 мкм.

Известна пневмоакустическая форсунка, содержащая корпус со сквозным каналом подачи жидкости, установленный с одной стороны корпуса патрубок подачи газа в центральную часть канала подачи жидкости и установленное с другой стороны корпуса выходное сопло, вокруг корпуса выполнена коллекторная полость, соединенная радиальными отверстиями с каналом подачи жидкости, на коллекторной полости установлен штуцер подвода газа, выходное сопло связано с выполненной на корпусе кольцевой камерой, охватывающей канал подачи жидкости, на кольцевой камере установлен дополнительный штуцер подвода газа, между выходным соплом и кольцевой камерой выполнен тороидальный генератор акустических колебаний. Патент Российской Федерации №110000, МПК: B05B 17/00, 2011 г.

Известен пневмоакустический стержневой распылитель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, имеющий центральное отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, газовое сопло, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая поверхность которого обращена к газовому соплу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло находится дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки, в котором впускное газовое сопло выполнено цилиндрическим, центральный стержень - профилированным, причем расположенная внутри сопла часть имеет коническую форму с углом расхождения 45-80°, часть за срезом сопла имеет цилиндрическую форму, а место схождения частей стержня расположено на срезе сопла. Канал для жидкости выполнен в виде штуцера, установленного на внешней поверхности обечайки и соединенного с жидкостной кольцевой камерой. Патент Российской Федерации 2467807, МПК: B05B 17/04, 2012 г. Прототип. Недостаток прототипа состоит в том, что при повышении частоты, осуществляемой путем утоньшения кольцевой струи, появляется круговая неустойчивость, которая влияет на амплитуду колебаний, определяющую дисперсность.

Задачей изобретения является создание пневмоакустической стержневой форсунки с получением капель 30-40 мкм, снятие круговой неустойчивости и возможность работы при повышенных частотах генерации.

Техническим результатом изобретения является исключение круговой неустойчивости на повышенных частотах генерации, получение дисперсных капель размером 30-40 мкм.

Технический результат достигается тем, что в пневмоакустической стержневой форсунке, содержащей цилиндрический корпус, имеющий центральное цилиндрическое отверстие с впускным газовым каналом, центральный стержень, установленный в центральном отверстии и имеющий часть, выступающую из цилиндрического корпуса, имеющего впускной канал для жидкости, жидкостную кольцевую камеру, связанную с впускным каналом для жидкости, жидкостное сопло, связанное с жидкостной кольцевой камерой, охватывающее центральный стержень, кольцевой резонатор, установленный на выступающей части центрального стержня, рабочая часть которого обращена к цилиндрическому корпусу, причем газовое сопло и жидкостное сопло выполнены соосными, жидкостное сопло расположено дальше по радиусу от центральной осевой линии цилиндрического корпуса, обечайку, охватывающую цилиндрический корпус, при этом жидкостная кольцевая камера и жидкостное сопло образованы пазами в цилиндрическом корпусе, ограниченными внутренней поверхностью обечайки центральный стержень выполнен с диаметром, равным диаметру сопла, а продольные пазы в центральном стержне расположены на расстояниях друг от друга, не превышающих четверть длины волны рабочей частоты форсунки, причем глубина пазов на центральном стержне δ, их ширина t и количество n, частота генерации f, ширина резонансной канавки пневмоакустической стержневой форсунки σ и расстояние между кольцевым газовым соплом H и дном кольцевого резонатора выбраны из соотношений

S=·n·δ·t,

где S - суммарное сечение пазов при заданной производительности по газу;

12,5≤f·δ≤15;

1,8≤σ/δ≤2,1;

7≤H/δ≤8.

Сущность изобретения поясняется на Фиг.1 и Фиг.2.

На Фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого устройства, где: 1 - цилиндрический корпус; 2 - центральное отверстие; 3 - цилиндрическое газовое сопло; 4 - центральный стержень; 5 - впускной канал; 6 - проходные газовые каналы; 7 - кольцевой резонатор в виде диска с цилиндрической проточкой, выступающей за цилиндрическое газовое сопло 3; 8 - обечайка, охватывающая корпус 1; 9 - впускной штуцер для подвода жидкости, установленный на обечайке 8; 10 - распределительная кольцевая камера; 11 - кольцевой жидкостный канал; 12 - кольцевое жидкостное сопло; H - расстояние между кольцевым газовым соплом и дном кольцевого резонатора 7; σ - ширина резонансной канавки форсунки.

На Фиг.2 представлено поперечное сечение форсунки перед выходом газа и жидкости из газового и жидкостного сопел, где: 3 - цилиндрическое газовое сопло; 7 - кольцевой резонатор в виде диска; 11 - кольцевой жидкостный канал; 13 - продольные пазы глубиной δ и шириной t.

Пневмоакустическая стержневая форсунка работает следующим образом.

Газ через впускной газовый канал 5 и проходные газовые каналы 6 при сверхкритическом давлении подают в сопло, образованное в стержне 4 системой продольных пазов 13. На срезе сопла 3 возникают плоские изолированные струи с числом Маха, равным единице. Появляющиеся при этом бочкообразная структура в каждой плоской изолированной струе тормозится кольцевым резонатором 7 с образованием перед ним прямого скачка уплотнения и дозвуковой зоны течения за ним. Область между плоским скачком и дном резонатора 7 представляет собой четвертьволновый «виртуальный» резонатор, определяющий частоту генерации форсунки.

Усиление колебаний в этой зоне приводит к появлению на поверхности струй ударных волн, излучаемых в окружающее пространство и, в частности, создающих капиллярные волны на поверхности жидкой пленки, вытекающей из жидкостного сопла 12, отрывая капельки жидкости и образуя туман в обрабатываемом помещении.

Частота генерации акустических колебаний f определена толщиной струи на срезе сопла 3. Выбор глубины продольных пазов 13 определяет дисперсность получаемых капель. Средний размер получаемых капель равен 0.3λ_к, где длина капиллярной волны λк≅f^-2/3.

Глубина δ продольных пазов 13 на центральном стержне 4 и частота генерации акустических колебаний f связаны соотношением δ=γ/f, где δ - в мм, f - в кГц, а коэффициент γ для ультразвукового диапазона часто равен 13,8±1,1 и зависит от давления распыляющего газа P₀, а ширина пазов t и их количество n определяется суммарным поперечным сечением пазов S=n·δ·t при заданной производительности форсунки по газу Q_Г (кг/с): Q_Г=0,4P_a·S·T^-1/2, где P_a - абсолютное давление газа (кг/см²), T - абсолютная температура газа (K), S (см²). Возбуждаемая в пневмоакустической стержневой форсунке частота генерации акустических колебаний f зависит и от геометрических параметров резонатора.

Для эффективной работы пневмоакустического генератора, содержащего газовое сопло и резонатор, ширина резонансной канавки σ (фиг.1) выбрана в диапазоне (1,8-2,1)δ, а расстояние между кольцевым газовым соплом и резонатором H выбрано в диапазоне (7-8)δ.