Струменево-механічна форсунка з примусовою вентиляцією розпиленого рідинно-краплинного потоку

1. Струменево-механічна форсунка для розпилення води із примусовою вентиляцією розпиленого рідинно-краплинного потоку, що містить циліндричний корпус, змонтований за допомогою підшипника на осьовому патрубку для підведення води з можливістю вільного обертання щодо його вертикальної осі, і випускним отвором у торці корпусу, розміщений у торці корпусу за випускним отвором дефлектор, жорстко з'єднаний із сердечником, розташованим у корпусі, з лопатями на внутрішній бічній поверхні корпусу, виконаними у формі гвинтової поверхні, жорстко з'єднаними із C2 2 (11) 1 3 87168 4 (розмір краплі), а також відносна швидкість газоволютному русі від максимальних негативних велиго струму, що взаємодіє із струмом розпиленої чин через нуль до максимальних позитивних, тобрідини. то крапля буде усяка - й дрібна, й велика, а рух Відомі форсунки для розпилення рідини, що цих краплин буде цілком хаотичним у вигляді використовуються в промислових градирнях, не джгутів води; вентиляція такого нестаціонарного забезпечують достатню ефективну взаємодію розфакелу не може бути ефективною. пиленої рідини із струмом повітря, створюваним Серед інших недоліків, що мають значення вентилятором та за рахунок істотної вентиляції, при оцінці, слід відзначити неможливість забезпещо призводить до утворення такого вмісту пари у чення великої витрати води форсункою на відміну підфакельному просторі форсунки, що відносна від витрати повітря через те, що нерухливий корвологість насиченого парою повітря сягає 100% й, пус форсунки та її рухливе днище (плаский диск) відповідно, до суттєвого зниження глибини охолороз'ємні, що не дає змоги зробити належну гермедження води. Другою особливістю цих форсунок є тику без суттєвого зростання опору обертальному те, що вони не мають досить великої продуктивноруху останнього, або призводить до відчутних сті, щоб можна було суттєво скоротити їх кількість втрат води, що не вентилюється, тобто не охолоу водорозподільній системі, через що аеродинаміджується, а, також, наявність окремого приводного чний опір самої градирні сягає такої величини, що двигуна, які на сьогодні усі електричні, тобто це сприяє створенню 100% відносної вологості повітенерговитратна технологія. ря в обсязі градирні, тобто механізм тепломасооНайбільш близьким до того, що заявляється, бміну, що реалізується при випарному охолодженпо технічній сутності є струйно-механічна самовені води, не працює, залишається тільки механізм нтильована форсунка для охолодження води, що конвекційного теплообміну, але він не є ефективмістить циліндричний корпус із осьовим патрубком ним, бо становить тільки 10... 12 % загального для підведення води й випускним отвором у торці процесу тепломасообміну. корпуса, розміщений у торці корпуса за випускним За цих причин особливо актуальною стає заотвором дефлектор із криволінійними лопатями, дача створення розпилюючих пристроїв, що зажорстко з'єднаний із сердечником, розташованим безпечують високу якість розпилення й ефективну у корпусі, корпус за допомогою підшипника змонвзаємодію водяно-крапельного й газового струмів. тований на патрубку для підведення води з можЄ відомою форсунка розпилу рідини, що місливістю вільного обертання навколо осі патрубка, тить вертикальний циліндричний корпус із боковим на внутрішній бічній поверхні корпуса розміщені патрубком підводу рідини, днищем у вигляді пласлопаті, виконані у формі гвинтової поверхні, жорского диска з водорозприскуючим пристроєм та тко з'єднані із сердечником, а на зовнішній бічній лопатями вентилятора, жорстко скріпленими з поверхні корпуса встановлені робочі колеса багадиском, приводний двигун, що надає обертального тоступінчастого вентилятора. руху пласкому дискові, а циліндричний корпус і Випускний канал корпуса виконаний у формі плаский диск виконані роз'ємними, причому останпорожнього конусоїдального тіла, зверненого підній приєднаний до приводного двигуна й містить ставою до дефлектора. додаткові, розміщені по колу на одному радіусі з Лопаті дефлектора виконані у вигляді різновиосновним розприскуючі пристрої.(А.С. СРСР № сотної східчастої спіралі, причому радіуси кривиз1113651, МПК F28С1/00, заявл.12.05.82p.). ни двох сусідніх лопатей відрізняються в 1,4 рази. Авторами цього винаходу досить ефективно Края дефлектора виконані вигнутими убік випусквирішено питання створення будь-якого співвідного отвору, при цьому величина вигину змінюєтьношення витрат рідини та повітря вентиляторомся за законом косинуса. Сердечник виконаний у розприскувачем за рахунок незалежного приводвигляді геликоїдального тіла обертання. ного двигуна, що дає змогу маніпулювати розмі(Пат.України №8050А, МПК В05В3/04, зарами і розприскуючих форсунок і лопатей вентиявл.10.04.95p.). лятора, створюючи незалежні необхідні витрати і Робоча рідина під тиском через осьовий патводи і повітря. Але, незважаючи на ефективне рубок проходить у корпус форсунки й, надходячи технічне вирішення проблеми поєднання в одному на гвинтові лопаті, жорстко з'єднані із сердечником пристроїв одночасно і розприскувача рідини і вені внутрішньою бічною поверхнею корпуса, привотилятора рідинно-крапельного струму, така консдить в обертання його, а також жорстко скріплений трукція має цілу низку суттєвих недоліків, які обз ним дефлектор і робочі колеса вентилятора. Далі межують, або роблять зовсім неможливим її рідина проходить через випускний отвір у корпусі й практичне застосування. Це, по-перше, потребу надходить на криволінійну поверхню дефлектора, точного балансування усіх частин вентиляторау результаті обертання якого диспергується, створозприскувача, щоб запобігти підвищеної вібрації рюючи рівномірний факел розпилу, одночасно із корпусу самої форсунки та можливого резонансу цим повітряний потік, створюваний робочими коградирні, куди вона встановлюється, по-друге, лесами вентилятора, проходить крізь факел розякість розпилювання води такою форсункою не пиленої рідини, виводячи з підфакельного простоможе відповідати вимогам ефективного її охолору насичене парою води повітря. дження через те, що відцентрові розприскувачі Така спрямованість потоку повітря дозволяє води, створюючи факели розпиленої води з певзбільшити площу обкинутої поверхні краплі й ним кутом розкриття, самі знаходяться у примусостворити вільний швидкий відвід насиченої парою вому обертальному русі, що призводить при скларідини газової фази із підфакельного простору, дені векторів швидкостей краплин у переносному внаслідок чого підвищується інтенсивність теплорусі до змінення вектора швидкості краплі у абсо 5 87168 6 масообміну й збільшується випар рідини по усьоі витрати повітря вентилятором, які дозволяють му об'ємі краплинного потоку. обійтися мінімальною кількістю таких форсунок у Розташування робочих коліс вентилятора поза градирні, тобто в максимальному ступені знизити факелом розпиленої рідини виключає "захопленаеродинамічний опір останньої. ня" води пластинами, що вентилюють, тобто форЗавдання вирішується тим, що містить циліндма факела не порушується, підвищений вологовиричний корпус, змонтований за допомогою підшиніс відсутній. пника на осьовому патрубку для підведення води з Така форсунка, ефективно вирішуючи поєдможливістю вільного обертання щодо його вертинання в одному пристрої одночасно і розприскувакальної осі, і випускним отвором у торці корпусу, ча рідини і вентилятора рідинно-крапельного розміщений у торці корпусу за випускним отвором струму із створенням будь-якого співвідношення дефлектор, жорстко з'єднаний із сердечником, витрат рідини та повітря, на відміну від розглянурозташованим у корпусі, з лопатями на внутрішній тої вище, забезпечує добру якість розпилювання бічній поверхні корпусу, виконаними у формі гвинрідини, не потребує окремого приводного двигуна, тової поверхні, жорстко з'єднаними із сердечником не має обмежень щодо витрати води нею, але теж і корпусом, з лопатями вентилятора, скріпленими потребує точного балансування усіх частин корпуіз зовнішньою бічною поверхнею корпусу, як підса і вентилятора-розприскувача через те, що має шипник використана гідродинамічна підвіска із свободу тільки обертального руху навколо вертисферичним зазором, яка дає корпусу й скріпленим кальної осі патрубка, на якому укріплений підшипз ним лопатям вентилятора можливість вільного ник, що жорстко з'єднує останній із корпусом. Це повороту у площинах, перпендикулярних площині набуває особливої актуальності при великих виобертання, а лопаті вентилятора встановлені на тратах рідини, коли резонанс частин форсунки і опорах корпусу з можливістю вільного повороту градирні дуже небезпечний через те, що частота відносно корпусу. Відповідно до пропозиції корпус не має жорстw f= кого з'єднання з патрубком для підведення води, 2 p при цьому крутильних коливань форсунки на патрубку жорстко закріплена сферична п'ята здвигається у область низьких частот, з-за того, гідродинамічної кульової підвіски, а в корпусі сфещо кутова швидкість w при цьому зменшується рична опора гідродинамічної кульової підвіски, через порівняно великі геометричні розміри форжорстко з'єднана з ним; фіксуючі частини гідродисунки і вентилятора, що призводить до суттєвого намічної підвіски, що забезпечують певний зазор збільшення осьових моментів інерції частин, що між п'ятою та опорою, заповнений водою для заобертаються, які цю швидкість визначають і може міни сухого тертя рідинним, при обертанні, забезспівпасти з частотою коливань самої градирні; а печують також можливість повороту корпусу від2 відцентрова сила коливань, F=Dm×Dr×w , створюносно вертикальної осі (осі обертання) на певний, вана небалансом мас форсунки Dm, на відстані Dr достатній за розрахунками, кут у будь-якій площивід центра неврівноваженої маси до осі обертання, ні, перпендикулярній до площини обертання. набуває такої величини, що може бути здатна виНа зовнішній бічній поверхні корпуса, на певконати роль сили, що змушує коливання самої ній висоті від дефлектора, встановлена, на жорстградирні чи її важливих частин. Але навіть наблико скріплених з корпусом співвісних опорах, рамка, жене до ідеального балансування усіх частин та з можливістю її повороту на певний, достатній за деталей форсунки, що приймають участь у оберрозрахунками, кут у площині, перпендикулярній тальному русі, не позбавляє цю конструкцію від площині обертання, на цій рамці жорстко закріпвказаного суттєвого недоліку через те, що друга лені лопаті вентилятора, або, розташовані під кускладова відцентрової сили - ексцентриситет том 90° до осі опор корпусу, такі ж опори, як на центра мас, що обертаються, не є величиною покорпусі, на яких встановлено другу рамку, що мостійною; він сам залежить, як відзначають усі доже повертатися на певний, достатній за розрахунслідники цієї проблеми, від багатьох чинників: куками, кут у площині, перпендикулярній площині тової швидкості обертання, сумарної величини обертання, з жорстко закріпленими на ній лопатямас, що обертаються, початкового ексцентриситеми вентилятора. ту центра маси, що обертається, величини динаФорсунка із зазначеними конструктивними мічної незбалансованості маси, коефіцієнту, що ознаками дозволяє, зберігаючи усі переваги опивраховує фізичне зношування матеріалу підшипсаної вище форсунки, що стосуються і конструкції і ника, незалежно від того, чи то підшипник ковзанпідвищення ефективності тепломасообміну, повніня, чи то підшипник кочення, та тривалості оберстю позбутися негативної дії відцентрової сили тання, бо зношування збільшується з часом. небалансу з-за того, що запропонована кульова Таким чином, позбутися дії відцентрової сили, підвіска, роблячи незалежним обертальний рух що є шкідливою, ця конструкція не дозволяє за корпусу форсунки з лопатями вентилятора відноссвоєю природою. Необхідне принципово інше техно усіх осей обертання, що має геометрична сфенічне рішення, яке і є предметом винаходу. ра, під дією моменту від відцентрової сили В основу запропонованого винаходу поставΜВС=(Dm×Dr×Dw2)×Dr, призводить конструкцію, що лене завдання створення такої конструкції форсуобертається, до такого положення рівноваги, коли нки, що дозволила б ліквідувати дію небаланса її центр мас співпадає з її центром ваги, тобто відобертових мас, що дозволить зняти обмеження по стань Dr від центра неврівноваженої маси до осі швидкості обертання корпуса й, відповідно, вентиобертання стає рівною нулю, а разом з тим зникає лятора, тобто дозволить вирішити друге завдання і шкідлива дія відцентрової змушуюючої сили. Фо- такого збільшення витрати води розприскувачем рсунка при цьому відхиляється на певний кут від 7 87168 8 вертикалі. Балансування усіх частин корпуса і венром 10. Дефлектор 13 має лопаті 14, виконані у тилятора-розприскувача форсунки у такому випадвигляді різновисотних східчастих спіралей. На зоку не є потрібним, достатньо звичайних промисловнішній бічній поверхні корпуса 1 установлені чевих точностей виготовлення. Можливість повороту рез опори 15, що забезпечують поворот відносно лопатей вентилятора відносно двох взаємнокорпуса, лопаті вентилятора 16 безпосередньо, чи перпендикулярних осей рамок, через які вони не через проміжні рамки 17. жорстко з'єднані з корпусом, дає їм можливість Форсунка працює у такий спосіб. зайняти положення у тій площині, котра також заРідина, що розпорошується, надходить під тиском до осьового патрубка 2, де розділяється на безпечує Dr=0, тобто це підсилює ефект, створедва незалежних струми, з яких один - менший, іде ний підвіскою; ще більше ефект може бути підсичерез канали 4 на змащення підвіски 5 ущілину 8 леним, якщо рамок буде не дві, а три, з трьома між п'ятою 6 та опорою 7, а другий, більший - у осями опор з кутами між ними 60°. корпус 1 і, розтікаючись по стінках конусоїдального Як і в конструкції прототипу, вода, проходячи тіла 3, надходить на гвинтоподібні лопаті 11, причерез корпус форсунки, надходить через випускводячи в обертовий рух корпус 1. Кульки 9, розтаний отвір на дефлектор і далі утворює суцільний шовані у щілині 8 підвіски 5, проміж п'ятою 6 та розвитий факел з необхідним кутом розкриття, опорою 7, забезпечують зменшення часу вибігу однак частина водяного потоку з патрубка підвефорсунки у момент пуску, зменшуючи гідравлічне дення рідини надходить по каналах підібраного тертя. Обертовий рух від корпуса 1 передається перетину в зазор між п'ятої й опорою гідродинамілопатям вентилятора 16 й, через сердечник 12, на чної підвіски, створюючи сферичний шар рідиннодефлектор 13. При витіканні з випускного отвору го змащення для зменшення гідравлічного момен10 вода надходить на лопаті 14 дефлектора 13, ту тертя при обертанні, що дає можливість розтікаючись по них у вигляді плівки. Внаслідок досягати потрібної швидкості обертання корпуса обертання дефлектора 13 водяна плівка розривафорсунки для забезпечення її гідроється на краплі різної величини, які скидаються з аеродинамічних характеристик. Для зменшення обріза східців, створюючи суцільний розвитий фамоменту гідравлічного тертя під час пуску можуть кел розпорошеної рідини з великим кутом розкритбути використані кульки, що розміщені у зазорі між тя. Обертання лопатей вентилятора 16 викликає п'ятої й опорою підвіски, які вільно переміщаються спрямований рух потоку повітря з-під факела розпо сферичних поверхнях останніх, не обмежуючи порошеної рідини, відводячи насичений водяною їхній рух друг відносно друга. парою струм повітря у зовнішню атмосферу. За наявними в авторів відомостями, запропоПри цьому корпус форсунки 1 з лопатями веннована сукупність ознак, що характеризують суттилятора 16, внаслідок технологічної небалансоність винаходу, не є відомою з рівня техніки. Реваності при виготовлені самого корпусу та лопатей зультатом проведеного аналізу є думка, що вентилятора, за рахунок виникнення моменту від властивості винаходу, що заявляється, не збігавідцентрової сили, відхиляється від вертикалі на ються з властивостями виявлених аналогів. Сукупевний кут, досягаючи нового положення рівновапність ознак, що характеризують відомий пристрій, ги, а його повздовжня вісь, внаслідок флуктуацій не забезпечує досягнення нових властивостей і тиску води, повітря на лопаті вентилятора, через тільки наявність відмінних ознак дозволяє одержащо ті здійснюють низькочастотні коливання навкоти технічний результат. ло якоїсь осі рівноваги, що також обертається із Запропоноване технічне рішення може бути швидкістю корпуса у просторі, описує в обертальвикористане для облаштування вже існуючих виному русі круговий конус. парних градирень на підприємствах, а також при У такий спосіб форсунка забезпечує високу будівництві нових, тому воно відповідає всім ознаякість розпилення й підвищення інтенсивності тепкам винаходу. ломасообміну в середовищі газ-рідина, що сприяє На фіг.1 надана конструктивна схема запропопідвищенню ефективності охолодження промиснованої форсунки, поздовжній розріз, на фіг.2 вид лових вод. А на фіг.1, різновид поєднання лопатей вентиляПриклад реалізації пристрою. тора з корпусом форсунки через три проміжні рамУ циліндричному корпусі діаметром 0,63 м та ки з кутами між осями рамок 60°. висотою 0,54 м з патрубком підведення рідини Форсунка містить циліндричний корпус 1 з діаметром 0,17 м встановлено дефлектора діамеосьовим патрубком 2 для підведення води, випустром 0,64 м та через дві рамки лопаті вентилятора кний канал 3 якого виконаний у формі порожнього розмахом 2,50 м. Маса форсунки, заповненої воконусоїдального тіла, а канали 4 підібраного передою при роботі, становить близько 120 кг. тину для відводу рідини на змащення гідродинаміКутова швидкість обертання становить 10,7 с-1 чної підвіски 5, що містить п'яту 6 та опору 7, вико(102 об/хв). Номінальний робочий тиск води на нано циліндричними. У сферичній щілині 8 підвіски вході у форсунку 180 КПа (1,8 атм). Продуктив5 розміщені кульки 9 для зменшення гідравлічного ність форсунки становить 0,17...0,21 м3/с(600...750 тертя у момент пуску. У торці корпуса 1 виконаний м3/год), витрата повітря її вентилятором 11...14 випускний отвір 10 для випуску води. На внутрім3/с [(40...50)×103]м3/год. Глибина дії вентилятора шній бічній поверхні корпуса 1 виконані гвинтоподібні лопаті 11, жорстко з'єднані із сердечником 12, становить 3,5...4,5 м, середній медіанний діаметр розташованим у корпусі 1 і виконаному у вигляді крапель води 2,8×10-3 м. Частота коливань корпуса оживального тіла обертання. Сердечник 12 у свою при обертанні становить 1 Гц, лопатей вентиляточергу жорстко з'єднаний з дефлектором 13, розра 2,6 ГЦ, амплітуда коливань корпуса становить ташованим на торці корпуса 1 за випускним отво8°, амплітуда коливань лопатей вентилятора 2°. 9 87168 10 Форсунка з такими характеристиками повністю собою енерговитратного електричного вентилятозамінює собою електричний вентилятор та систера у вентиляторних градирнях, а в баштових сутму зрощення водою градирні гідравлічним навантєво підвищити ступінь істотної вентиляції, що дає таженням 800 м3/год. можливість у значній мірі скоротити енерговитрати Таким чином, форсунка з зазначеними консна охолодження води у промисловості. труктивним ознаками дозволяє забезпечити заміну Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601