Змішувач-форсунка

Змішувач-форсунка, що містить корпус з виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, установленою між ними тороїдальною та сполученою з нею кільцевою камерами, яка відрізняється тим, що кільцева камера з каналом постійного перерізу утворена двома коаксіальнo встановленими поверхнями зрізаних конусів з меншою і більшою основами, сполученими відповідно з конфузорним каналом і тороїдальною камерою, у середньому перерізі кільцевої камери перпендикулярно поверхням зрізаних конусів за периметром встановлені спіральні шпильки, при цьому критичний діаметр дифузорного каналу більше критичного діаметра конфузорного. Винахід належить до пристроїв для виробництва високодиспергованих матеріалів і може бути використаний в паливній, нетрадиційній енергетиці, машинобудуванні, порошковій металургії, хімічній, фармацевтичній, будівельній, переробній сільськогосподарській, лакофарбовій, а також інших галузях промисловості і технологіях. Відомий змішувач-форсунка [А.с.СРСР № 1778279, Ε21В43/00, 1990], що містить корпус з виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, установленою між ними тороїдальною та сполученою з нею кільцевою камерами. Пристрій оснащений установленим на вході конфузорного каналу втулкою-сепаратором із гвинтоподібними пазами, у яких виконані наскрізні радіальні отвори, а дифузорний та конфузорний канали виконані рухливими та підпружнені відносно вихрової тороїдальної камери. Широке використання пристрою обмежене процесами сепарування й обводнювання газорідинних складів. Тому недолік пристрою полягає в низькій якості змішування, диспергування та гомогенізації великого спектра робочих компонентів через нерівномірність обробки часток дисперсної фази з нестійкою вузькою зоною кавітації, що виключає одержання високодисперсних сумішей на молекулярному рівні. Пристрій відрізняється низькою ефективністю через високі енерговитрати і недостатню екологічну чистоту, які пов'язані з великими гідравлічними втратами напору потоку, нерівномірним розподілом швидкості струменя по перерізу факела і реакцією віддачі витікаючого (кавітуючого) струменя, що обумовлено різницею швидкостей потоку за рахунок, незбалансованих співвідношень діаметрів прохідних перерізів на вході і ви ході камери змішування. Найбільш близьким за технічною сутністю є змішувач-форсунка [пат.РФ №2083247, А62С31/02, 1997], що містить корпус з виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, установленою між ними тороїдальною та сполученою з нею кільцевою камерами. Недоліком пристрою є низька ефективність диспергування широкого спектра складів робочих сумішей, обумовлена нерівномірністю обробки (19) UA (11) 82138 (13) (21) a200606859 (22) 19.06.2006 (24) 11.03.2008 (72) СУВОРОВА ІРИН А ГЕОРГІЇВН А, U A, КРАВЧЕНКО ОЛЕГ ВІКТОРОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ІМ. А.М.ПІДГОРНОГО НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 35841 A, 16.04.2001 RU 2083247 C1, 10.07.1997 SU 1778279 A1, 30.11.1992 SU 1473819 A1, 23.04.1989 FR 2541390, 24.08.1984 DE 19806315, 19.08.1999 FR 2619320, 17.02.1989 C2 1 3 82138 часток дисперсної фази внаслідок нестійкості вузької зони кавітації і неможливості одержання високої якості дрібнодисперсної суміші на молекулярному рівні. Високі енерговитрати пристрою і низька екологічна чистота компонентів, що перероблюються, обумовлені великими гідравлічними втратами напору при різкому звуженні поперечного перерізу потоку, а також складністю регулювання потоку для нормального проходження каналів сполучення основної і додаткової камер, що знижує ефективність пристрою. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення змішувача-форсунки, у якій, завдяки особливостям конструктивного виконання, співвідношенню розмірів і місцеві розташування елементів, створені умови обробки технологічних сумішей різного компонентного складу у високотурбулізованому потоці, що дозволяє забезпечити високу деструкцію матеріалу і диспергування на молекулярному рівні при мінімальних енерговитратах і високій якості чистоти продукту, за рахунок чого досягнуто поліпшення якості дисперсності і гомогенності суміші, підвищена ефективність роботи пристрою. Поставлена задача досягається тим, що в змішувачі-форсунці, яка містить корпус з виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, установленої між ними тороїдальною та сполученою з нею кільцевою камерами, згідно з винаходом, кільцева камера з каналом постійного перерізу утворена двома коаксіально встановленими поверхнями зрізаних конусів меншою і більшою основами, сполученими відповідно з конфузорним каналом і тороїдальною камерою, у середньому перерізі кільцевої камери перпендикулярно поверхням зрізаних конусів за периметром встановлені спіральні шпильки, при цьому критичний діаметр дифузорного каналу більш критичного діаметра конфузорного. Кільцева камера з каналом постійного перерізу утворена двома коаксіально встановленими поверхнями зрізаних конусів меншою і більшою основами, сполученими відповідно з конфузорним каналом і тороїдальною камерою, для створення можливості відділення додаткового потоку в утворений щілиноподібний канал і неспіввісного виносу додаткового потоку в основний потік, що дозволяє ущільнити оброблюваний матеріал і внести в основний потік додаткові збурювання за рахунок різноспрямованих течій у потоці. У середньому перерізі кільцевої камери перпендикулярно поверхням зрізаних конусів за периметром встановлені спіральні шпильки, для організації окремих завихрювань із потужним крутним моментом в ущільненому суцільному потоці щілиноподібного каналу. Виконання критичного діаметра дифузорного каналу більше за критичний діаметр конфузорного дозволяє здійснити безперешкодне проходження потоком оброблюваного матеріалу елементів конструкції змішувача-форсунки, за умов що виключають запирання критичних прохідних перерізів пристрою. 4 На фігурі показано запропонований пристрій поздовжній переріз. Змішувач-форсунка містить співвісно встановлені в корпусі конфузорний 1 і дифузорний 2 канали сопла Лаваля, між якими розміщена тороїдальна змішувальна камера 3. Кільцева камера 4, що утворена двома коаксіально встановленими поверхнями зрізаних конусів, являє собою щілиноподібний канал постійного перерізу, який меншою основою сполучений з конфузорним каналом 1, а більшою - з тороїдальною камерою 3. У середньому перерізі кільцевої камери 4 перпендикулярно конусним поверхням за периметром встановлені спіральні шпильки 5. Критичний діаметр d2 дифузорного каналу 2 більше критичного діаметра di, конфузорного каналу 1, що дозволяє виключити утворення поворотних течій, які призводять до запирання камери 3 при проходженні потоку оброблюваного матеріалу з дифузорного каналу 2. Пристрій працює за принципом відцентрової форсунки, з характерними дисперсійнокавітаційними властивостями. Грубодисперсна суміш чи компоненти, що не змішуються, під тиском 0,3 - 1атм. подаються на вхід вісесиметричного конфузорно-дифузорного каналу сопла Лаваля. Потрапляючи в звужуючий конфузорний канал 1, потік ущільнюється за рахунок зменшення його поперечного перерізу і поділяється на два. Первісно тиск в обох каналах однаковий і відповідає вхідному тиску. Основний потік прямотоком подається в змішувальну тороїдальну камеру 3. На виході із звужуючого вісесиметричного каналу, основний потік має максимальну швидкість, яка може досягати швидкості звуку і несе велику кінетичну енергією, причому основний потік зберігає вісесимеричну форму. За рахунок перепаду тиску основний потік направляється в тороїдальну вихрову камеру 3 змішування. У тороїдальній вихровій камері 3 досягається ефект подібний до ефекту руху рідини в кавернах, створюється вихорове поле зі зниженим тиском близьким до вакууму. Робоча сировина в потоці ефективно перемішується і перетирається. Відгалужений додатковий потік засмоктується в щілиноподібний канал 4 кільцевої камери. У щілиноподібному каналі 4 кільцевої камери, проходячи по поверхнях спіральних шпильок 5, потік ущільнюється, набуває завихрення і поділяється на m окремих ортогональних потоків, момент крутіння кожного з яких заданий формою спіральних шпильок і спрямований по дотичноій тороїдальної камери 3 змішування. За рахунок неспіввісної зустрічної взаємодії основного потоку з додатковими утворюється високотурбулізований сумарний струмінь. Злиті воєдино турбулізовані додаткові потоки під дією вихрового поля приєднуються до основного потоку і дрібнять його на множинні дрібні потоки. Створюються складно закручені потоки, що дозволяють організовувати турбулентні пульсації для найбільш ефективного перемішування й інтенсифікації масообміну. У той же час, змішування двох різноспрямованих тороїдальних потоків викликає виникнення 5 82138 інтенсивних торсіонних полів. Імовірність захоплення пузирчика в мікровихрове утворення і його втримання в зоні реакції збільшується, тому значна частина енергії, накопиченої в пузирчикові, витрачається на ударний вплив часток оброблюваного потоку. У результаті кавітаційних процесів перемішувальний та перетиральний вплив часток у потоці зростає, швидкості протікання реакцій інтенсифікуються. Утворені турбулізовані торсіонні поля об'єднані у загальний потік, направляються у вигляді круглого вісесиметричного струменя, що розширюється у дифузорний канал. Умовами для організації високоефективного швидкісного потоку і безперешкодного проходження елементів конструкції є виконання критичного діаметра d2 дифузорного каналу більше критичного діаметра d-i конфузорного. Для виключення запирання камери й ефективного утворення торсіонних полів усередині тороїдальної камери та залучення вихорів, утворених основним потоком у ви хідне сопло, посадка тороїдальної камери 3 на сопла здійснена так, щоб відстань між колами, які утворюють тор у плані задовольняло нерівності: d 0á d£ 1 2 яка доведена чисельними експериментами. На виході з тороїдальної камери 3 виникають резонансні ультразвукові коливання потоку, оброблювана суміш дробиться гострою крайкою виступів дифузора, що приводить до утворення мікроструминок робочої речовини, спрямованих паралельно утворюючим камери. Створюються додаткові складно закручені зустрічні потоки, які дозволяють організовувати вторинні турбулентні пульсації для найбільш ефективного перемішування й інтенсифікації масообміну. Зони розрідження, що виникають в потоці робочого матеріалу, забезпечують кавітацію в усьому об'ємі струменя робочої речовини та факела на виході із змішувача-форсунки. Відбувається розширення потоку з утворенням звукового тиску, що викликає збудження гармонійних акустичних коливань, амплітуда яких в умовах резонансу зростає. Відбувається повторне високошвидкісне перемішування, здрібнювання та подальше взаємне тонке диспергування компонентів потоку. В утворюваних множинних центрах подрібнення зважених часток потоку відбувається на молекулярному рівні. На виході дифузорного каналу 2 формується високошвидкісний стійкий рівномірний за перерізом гомогенізований струмінь. Змішувач-форсунка з високою ефективністю може працювати при низькому вхідному тиску, що дозволяє проводити обробку з мінімальними енерговитратами. Технологічні можливості обробки потоку робочого середовища з використанням такої конструкції змішувача-форсунки в технологічних процесах перемішування двох чи декількох потоків рідини, газу і порошкоподібного матеріалу, з будьяким компонентним складом взаємодіючих середовищ: рідина - газ, рідина - порошкоподібний 6 матеріал, гази - порошкоподібний матеріал, рідина - газ - порошкоподібний матеріал дозволяє широко використовува ти в металургії і на теплових електростанціях для економії газу, в автомобільних карбюраторах, пальниках різного призначення, форсунках для інтенсифікації процесу горіння, у пристроях розпилення й іонізування, для створення аерозолей. Пристрій ефективно може бути використаний для одержання тонкодисперсної фракції при розпилюванні органічних в'язких рідин з ефективною дисоціацією води на іони Н+, ОН' і високим вмістом газової фази в процесах їхньої гідрогенізації та гідролізу. Так, з'єднавши газовий конденсат з водою в пропорції 4:1 (80% газового конденсату, 20% води) при видавлюванні суміші під тиском 5- 6 атм. На виході отримано 40% бензину АІ-92, 40%низькоактанового бензину, 10% спирту, 2% парафіну й інших органічних сполук, причому при осадженні утворені фракційно розділені органічні сполуки високої якості без домішок води. Таким чином, конструктивне виконання з запропонованим оптимальним співвідношенням розмірів і місцем розташування елементів забезпечують умови: більш інтенсивної взаємодії молекул, утворення високогомогенних з'єднань за рахунок зниження обмежень на протікання процесів взаємодії, в тому числі і хімічного, зв'язаного з наявністю між фазних меж, що дозволяє доводити робочу суміш до рівня молекулярної дисперсії, при якій незмішувані попередньо субстанції стають співрозчинними і насичено гомогенизованими. Конструктивне виконання і геометричні параметри змішувача-форсунки дозволяють здійснювати глибоку переробку з високоефективною деструкцією матеріалів при одночасній реалізації складних фізико-хімічних перетворень з яскраво вираженим ефектом синергичного посилення протікання процесів взаємодії взаємного проникнення, що дозволяє одержувати екологічно чисті фракції перероблених компонентів. Таким чином, запропоноване технічне рішення за рахунок ефективного змішування потоків із синтезом нових з'єднань на молекулярному рівні дозволяє забезпечити універсальність процесу, поліпшення якості дисперсності і гомогенності суміші, підвищення ефективності роботи пристрою за рахунок економії енерговитрат на здійснення технологічних режимів та одержання екологічно надто чистих високодисперсних матеріалів. Розроблений змішувач-форсунка дозволяє підвищити ефективність роботи на режимах змішування і диспергування, ступеня розпилення, інтенсифікації процесу горіння, підвищити якість дисперсності і гомогенности суміші, що веде до зниження енерговитрат, інтенсифікації процесів змішування оброблюваних матеріалів з будь-яким компонентним складом з одержанням високодисперсних екологічно чистих продуктів. 7 82138 8