Механічна відцентрова тангенціальна форсунка для розпилювання води

Реферат: UA 71068 U UA 71068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до техніки розпорошення води і призначена переважно для розпорошення технічної води промислових підприємств, а також води водоймищ, що забруднена значним ступенем мінеральними солями, частина яких знаходиться у розчиненому вигляді, зокрема морська вода. Таку воду через її низьку собівартість використовує різне технологічне обладнання, систем газоочищення у металургійній, хімічній нафтохімічній, теплоенергетичній та інших галузях промисловості, де досить актуальною є задача підвищення ефективності розпилювання рідини й підвищення ступеня очищення газів, що відходять. Спосіб механічного розпорошення з попереднім закручуванням рідини одержав найбільш широке поширення в теплоенергетиці завдяки можливості формування специфічної структури розподілу краплин по зрошуваній площі перетину факела, зокрема монодисперсного рідиннокраплинного потоку. Однак, незважаючи на велику кількість конструкцій форсунок, використовучих принцип закручування для розпорошення рідини, серед яких найбільш поширеними є різноманітні спіралеподібні й відцентрові, велика їхня частина працює не ефективно чи з точки зору параметрів розпорошення (моно- чи полідисперсність розпилу рідини, рівномірність розподілу рідинно-краплинного потоку у площині поперечного перетину факела), чи з простоти та технологічності виготовлення конструкції (складність конструкції, складність технології виготовлення), чи параметрів економічності (робочий тиск рідини, продуктивність форсунки). Для технологічного обладнання, систем газоочищення найбільш важливим є параметри розпорошення та параметри економічності. Тому однією з актуальних задач є отримання оптимальних експлуатаційних параметрів відомих конструкцій форсунок. Особливу зацікавленість у цьому плані ставлять спіралеподібні, зокрема евольвентні, та відцентрові механічні форсунки. Найчастіше використовувані у промисловості через свою простоту та технологічність виготовлення евольвентні форсунки, незважаючи на найменші, у порівнянні з іншими, витратами на виготовлення, не забезпечують ні тих параметрів розпилення рідини, яких вимагає сучасне технологічне обладнання систем газоочищення або систем охолодження води промислових оборотних циклів у промисловості, зокрема моно- і дрібнодисперсність розпилу та рівномірність розподілу рідинно-краплинного потоку у площині поперечного перетину факела, ні параметрів економічності - досить великий робочий тиск рідини при доволі обмеженій продуктивності форсунки. Це обумовлено тим, що, як відомо з теорії (Пажи Д.Г., Прахов A.M., Равикович Б.Б. Форсунки в химической промышленности. - М.: Химия, 1971. - 220 с), чавунне лиття, яким виготовляються такі форсунки, не може забезпечити ні потрібну шорсткість поверхні для зниження гідравлічного опору рідинному потоку, що призводить до підвищеного робочого тиску для розпилювання рідини з одночасним зниженням продуктивності форсунки, ні дрібнодисперсності розпилу внаслідок неможливості отримання досить тонкої крайки сопла через неминучі дефекти, які притаманні самому чавунному литтю - газові включення (так звані пори), що вимагають обмеження по товщині стінки, через що тонку крайку неможливо одержати навіть наступною мехобробкою, бо крайка має бути виконаною товщиною 0,3…0,5 середнього медіанного діаметра (Dмед) крапель рідинно-краплинного потоку. Використання механічної обробки окремих деталей з наступним, наприклад, зварюванням чи використання лиття пластмас для виготовлення таких форсунок не має економічного сенсу через те, що сама конструкція форсунки не дозволяє отримати монодисперсного розпилу та необхідної рівномірності розподілу рідинно-краплинного потоку у площині поперечного перетину факела, через те, що закручуваний рідинний потік різко несиметричний, до того ж факел у такої форсунки вузький - з малим кутом розкриття (не більше 60°), що не завжди зручно, наприклад, у градирнях. Таким чином, перевагами описаної форсунки є тільки простота та швидкість виготовлення та порівняно невелика її вартість, що не може задовольнити сучасну промисловість. Вказаних недоліків евольвентної форсунки позбавлена конструкція механічної відцентрової тангенціальної форсунки, здатна забезпечити і дрібну краплю при розпилюванні і необхідну рівномірність розподілу рідинно-краплинного потоку у площині поперечного перетину факела, і будь-якої форми сам факел, але за умови, що досить тонка крайка сопла попериметру буде отримана без надмірних фінансових витрат, що також важливо для промисловості, бо інакше будуть використовуватись менш ефективні, але менш вартісні форсунки. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача такого удосконалення механічної відцентрової форсунки, яка дозволила б забезпечити дрібнодисперсність 1 UA 71068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розпорошення (1) й ступеня розкриття факела (2) як при малих, так і при великих витратах розпорошуваної рідини. Задача може бути вирішена тим, що в механічній відцентровій форсунці, яка містить циліндричну камеру закручування з патрубком підведення рідини, що утворює тангенціальний вхідний канал і центральне сопло для виходу рідини, що розпилюється, крайка центрального сопла по його периметру виконана товщиною 0,3…0,5 середнього медіанного діаметра крапель розпорошеного рідинно-краплинного потоку, що дозволяє отримати потрібну дисперсність потоку (1), а внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює з її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, може виконуватись у формі зрізаного конуса із нижньою основою - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру камери закручування, й верхнім окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру вихідного сопла у бік витоку потоку рідини, (конічна поверхня може бути трансформована в оживальну, якщо це дозволяють технологічні можливості виготовлення та не пов'язане з великою вартістю такого виконання (Фіг.1, Фіг.2)), або з верхньою основою-окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру камери закручування, й нижнім - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру вихідного сопла у бік, протилежний витоку потоку рідини (Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 5), в залежності від того, який факел розпорошеної рідини треба мати - гострий вузький чи настильний широкий (2). Найбільш близькою до тої, що заявляється, по технічній суті є механічна відцентрова форсунка (патент України № 4130, МПК: В05В 1/34,від 15.07.94 (А.С. СРСР № 1376326, МПК: В05В 1/34, від 29.12.85)). Форсунка містить циліндричну камеру закручування з патрубком підведення рідини, що утворює тангенціальний вхідний канал і центральне сопло для виходу рідини, що розпилюється. Потік рідини надходить через тангенціальний вхідний канал у циліндричну камеру й, здобуваючи обертовий рух, плівкою витікає через крайку центрального сопла, де на відстані 0.5…1.0 діаметрів сопла від крайки розпорошується на краплі. Дане технічне рішення прийняте за прототип. Ознаками прототипу, що збігаються з істотними ознаками корисної моделі, що заявляється, є циліндрична камера закручування з патрубком, який утворює тангенціальний вхідний канал і центральним соплом для виходу рідини. Відрізняючись достатньою простотою конструкції, форсунка втім не забезпечує створення дрібнодисперсного рідинно-краплинного потоку. Як видно з прикладених до опису А.С. СРСР № 1376326 креслень (фіг. 1, фіг. 2), товщина крайки центрального сопла дорівнює товщині стінок камери закручування, тобто отримати досить дрібну краплю рідини неможливо принципово, бо саме крайка формує і визначає товщину плівки рідини, що згодом розпадається на краплі - чим тонша крайка, тим тонша плівка і тим менше відстань, де починається розпалення плівки на краплі від неї, відповідно, тим дрібніше крапля. Більш-менш ефективний режим роботи такої відцентрової форсунки реалізується лише за умови великої її продуктивності, коли крупний розмір краплі, хоча і має значення, але може бути компенсований іншими параметрами технологічного обладнання, наприклад висотою розташування форсунок над дзеркалом басейну баштової градирні; використовувати таку форсунку (за правилом - малої продуктивності) у системах мокрої газоочистки замість евольвентної сенсу не має. Область використання, таким чином, стала дуже обмеженою завдяки конструктивній властивості, яку того часу технологічно запобігти було дуже складно форсунки (усіх типів), зазвичай, виготовлялись литтям чавуну, що як вказано вище, не давало змоги отримати крайку потрібної товщини; точне металеве лиття (для форсунок малої 3 продуктивності 0,0005…0,0001 м /с), виготовлення великогабаритних виробів шляхом лиття 3 пластмас (для форсунок середньої та великої продуктивності 0,003…0,008 м /с) у промислових масштабах стало можливим тільки наприкінці першого десятиріччя нашого століття. Це дало змогу виготовляти форсунки будь-якої продуктивності з потрібною крайкою як з пластмас (для систем охолодження води, Фіг. 1, Фіг. 2), так і з металу (для систем мокрого газоочищення, Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 6). В основу корисної моделі, щопропонується, поставлена задача такого вдосконалення конструкції відцентрової форсунки, що дозволило б, створюючи необхідний факел потрібної дисперсності рідинно-краплинного потоку, забезпечити оптимальні характеристики розпилу рідин, що відрізняються різною в'язкістю й щільністю та можливістю широкого промислового використання таких форсунок. Такий технічний результат досягається за рахунок того, що у відцентровій тангенціальній форсунці, що містить циліндричну камеру закручування з патрубком, який утворює тангенціальний вхідний канал, і центральним соплом для виходу рідини, внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює із її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, 2 UA 71068 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконана у вигляді конічної поверхні із переходом від діаметра камери закручування до діаметра вихідного сопла у бік виходу рідини, а крайка вихідного сопла по периметрі його окружності виконана товщиною 0,3…0,5 середнього медіанного діаметра крапель рідиннокраплинного потоку. В залежності від в'язкості й щільності рідини, що розпилюється, та потрібних характеристик розпиленого потоку рідини, внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює із її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, може бути виконана у вигляді конічної поверхні із переходом від діаметра камери закручування до діаметра вихідного сопла у бік, протилежний виходу рідини. Форсунка із зазначеними конструктивними ознаками дозволяє шляхом зміни конусності, максимально використовувати енергію рідини, що розпорошується, залежно від її в'язкості й щільності, що забезпечує краще завихрення рідини в камері й дозволяє одержати оптимальні параметри краплинного потоку для проведення ефективного тепломасообміну. За наявними в авторів відомостями, запропонована сукупність ознак, що характеризують суть моделі, перевищує існуючий рівень техніки. Результатом проведеного аналізу є думка, що властивості корисної моделі, що заявляється, не збігаються з властивостями виявлених аналогів. Сукупність ознак, що характеризують відомий пристрій, не забезпечує досягнення нових властивостей і тільки наявність відмінних ознак дозволяє одержати технічний результат. Запропоноване технічне рішення може бути використане для розпорошення рідин промислового призначення, тому воно відповідає всім ознакам корисної моделі. Суть корисної моделі, що пропонується, пояснюється кресленнями, де показаний загальний вид механічної відцентрової тангенціальної форсунки великої продуктивності (Фіг. 1, Фіг. 2) та малої продуктивності (Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 5, Фіг. 6). Форсунка містить патрубок 1, який утворює тангенціальний вхідний канал для підведення рідини, що розпилюється, циліндричну камеру закручування 2 і центральне вихідне сопло 3 для витоку розпиленого рідинно-краплинного потоку. У форсунку великої продуктивності (Фіг. 1, Фіг. 2) може бути влаштований вентилятор 4 з гідравлічним приводом - лопатним колесом, у разі використання, наприклад, в градирнях для охолодження технологічної води. Форсунка працює в такий спосіб. Потік рідини, надходить через тангенціальний вхідний канал, утворений патрубком 1 у циліндричну камеру закручування 2 й, здобуваючи обертовий рух, витікає плівкою по конічній поверхні камери до крайки (Фіг. 2, Фіг. 5) сопла 3, з якої сходить під певним кутом і розпорошується через центральне сопло, одночасно обертаючи лопатеве колесо з вбудованими в нього лопатями вентилятора 4 (для форсунок великої продуктивності Фіг. 1,Фіг. 2). Приклади реалізації пристрою. 1. Для розпилення морської води у системі мокрої газоочистки у коагуляторах труб Вентурі доменних печей ПАТ "МК "АЗОВСТАЛЬ» форсунка (Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 6) може бути виконана у такий спосіб. У циліндричному металевому корпусі діаметром 140 мм з патрубком підведення рідини, що утворює тангенціальний вхідний канал до камери закручування з центральним вихідним соплом діаметром 44 мм, виконана крайка сопла товщиною 0,5 мм. Випробування, що були зроблені на експериментальних зразках, дали змогу встановити що робочі характеристики форсунки такі: - робочий тиск 0,020 МПа; 3 - продуктивність 0,0007 м /с; - кореневий кут розкриття факела розпилу 100°; - середній медіанний діаметр краплин води 0,8…1,0 мм. При цьому створюється монодисперсний краплинний потік рідини. Ефективність газоочистки при використані форсунки зросла на 14 %. 2. Для розпилення технологічної води у системі охолодження оборотного циклу (градирнях) ПАТ "МК "АЗОВСТАЛЬ» форсунка (Фіг. 1, Фіг. 2) може бути виконана у такийспосіб. У циліндричному пластмасовому корпусі діаметром 260 мм з патрубком підведення рідини, що утворює тангенціальний вхідний канал до камери закручування з центральним вихідним соплом діаметром 140 мм, виконана крайка сопла товщиною 0,8 мм. Випробування, що були зроблені на експериментальних зразках, дали змогу встановити, що робочі характеристики форсунки такі: - робочий тиск 0,015 МПа; 3 - продуктивність 0,0007 м /с; - кореневий кут розкриття факела розпилу 140°; 3 UA 71068 U 5 - середній медіанний діаметр краплин води 1,8…2,5 мм. При цьому створюється майже монодисперсний краплинний потік рідини. Ефективність охолодження води при використані форсунки зросла з 0,21 до 0,43. Таким чином, форсунка з зазначеними конструктивними ознаками дозволяє забезпечити потрібну дисперсність розпорошення, необхідну для ефективного вирішення технологічних задач. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 1. Механічна відцентрова тангенціальна форсунка для розпилювання води, що містить циліндричну камеру закручування, з патрубком, який утворює тангенціальний вхідний канал і центральне сопло для виходу розпиленої рідини, яка відрізняється тим, що крайка вихідного сопла по периметру його окружності виконана товщиною 0,3…0,5 середнього медіанного діаметра крапель рідинно-краплинного потоку, а внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює із її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, створена у формі зрізаного конуса із більшою основою - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру камери закручування, й меншою - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру вихідного сопла у бік витоку потоку рідини. 2. Механічна відцентрова тангенціальна форсунка для розпилювання води за п. 1, яка відрізняється тим, що внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює із її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, створена у формі зрізаного конуса із більшою основою - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру камери закручування, й меншою окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру вихідного сопла у бік, протилежний витоку потоку рідини. 3. Механічна відцентрова тангенціальна форсунка для розпилювання води за п. 1, яка відрізняється тим, що внутрішня стінка циліндричної камери закручування, що утворює із її зовнішньою стінкою крайку вихідного сопла, створена у формі оживального конуса із більшою основою - окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру камери закручування, й меншою окружністю з діаметром, що дорівнює діаметру вихідного сопла у бік витоку потоку рідини. 4. Механічна відцентрова тангенціальна форсунка для розпилювання води за п. 1, яка відрізняється тим, що у циліндричну камеру закручування у стінку, протилежну центральному вихідному соплу, влаштований вентилятор з гідравлічним приводом - лопатним колесом. 4 UA 71068 U 5 UA 71068 U 6 UA 71068 U 7 UA 71068 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8