Форсунка

Реферат: Форсунка містить корпус із каналами подачі повітря й рідини, кільцеву камеру, з'єднану з каналом подачі рідини. Канал містить сопло Лаваля, що складається із конфузорного каналу, який звужується, і дифузорного, що розширюється, у якому конфузорний канал з'єднаний з лінією подачі повітря, тороїдальну вихрову камеру, розташовану між конфузорним та дифузорним каналами, додаткову кільцеву камеру. Кільцева камера з'єднана з тороїдальною вихровою камерою за допомогою ежектуючих отворів з одного боку, і з лінією подачі повітря з іншого. Тороїдальна вихрова камера виконана розбірною по перерізу, що проходить через діаметр цієї камери й перпендикулярному осі сопла Лаваля, з можливістю установки в цьому перерізі шайб різної товщини. Половина тороїдальної вихрової камери виконана в герметизуючому блоці. Друга - у блоці, що містить дифузорний канал, що зістикований з герметизуючим блоком, який фіксується. UA 96854 U (54) ФОРСУНКА UA 96854 U UA 96854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки гідравліки - пневматики змішуючих пристроїв вихрового принципу дії з камерою тороїдального типу й може бути використаний у форсунках для гасіння пожеж, у пальниках стаціонарного й переносного типу для різних видів палива, у гідравлічних гравітаційних подрібнювачах мінеральних природних і синтетичних речовин. Відомий аналог є змішувач-форсунка (патент України на корисну модель № 18922, МПК (2006) B01F3/08, В63В59/00, опубл. 15.11.2006 г, бюл. № 11.), що містить корпус з виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, установленою між ними тороїдальною та сполученою з нею кільцевою камерами, причому кільцева камера з каналом постійного перерізу утворена двома коаксіально встановленими поверхнями зрізаних конусів меншою й 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 більший критичного діаметра конфузорного. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є пристрій для розпилення рідини (патент 6 РФ № 2083247, МПК А62С31/02, опубл. 10.06.1997), що містить корпус із каналами подачі води й повітря, кільцеву камеру, з'єднану з каналом подачі води, сопло Лаваля, що складається із звужуваного і розширюваного каналів, у якому звужуваний канал з'єднаний з лінією подачі повітря, тороїдальну вихрову камеру, розташовану між каналами, що звужуються та розширяються, додаткову кільцеву камеру, що з'єднана з торовидною вихровою камерою за допомогою ежектуючих отворів з однієї сторони й з лінією подачі повітря з іншої. Спільним ознаками обох аналогів є те, що вони містять корпус із виконаними в ньому конфузорним і дифузорним каналами сопла Лаваля, встановлену між ними тороїдальну й з'єднану з нею кільцеву камеру. Загальним конструктивним недоліком пристроїв у цих патентах є те, що в них не передбачена можливість підстроювання параметрів форсунки при використанні рідин з різними характеристиками в'язкості. В основу винаходу поставлена задача підвищити ефективність роботи пневматичної форсунки при зміні в'язкості використовуваної рідини шляхом внесення конструктивних змін, що забезпечують можливість підстроювання параметрів форсунки. Поставлена задача вирішується тим, що в форсунку, що містить корпус із каналами подачі рідини й повітря, кільцеву камеру, з'єднану з каналом подачі рідини, що включає сопло Лаваля, що складається із конфузорного каналу, що звужується, й дифузорного каналу, що розширюється, у якому конфузорний канал з'єднаний з лінією подачі повітря, тороїдальну вихрову камеру, розташовану між конфузорним та дифузорним каналами, додаткову кільцеву камеру, що з'єднана з тороїдальною вихровою камерою за допомогою ежектуючих отворів з однієї сторони, і з лінією подачі повітря з іншої, згідно з корисною моделлю, тороїдальна вихрова камера виконана розбірною по перерізу, що проходить через діаметр цієї камери й перпендикулярному осі сопла Лаваля, з можливістю установки в цьому перерізі шайб різної товщини, причому половина тороїдальної вихрової камери виконана в герметизуючому блоці, а друга - у блоці, що містить дифузорний канал, що зістикований з герметизуючим блоком, який фіксується. Корисна модель пояснюється кресленням, де представлений поздовжній переріз пропонованої форсунки. Тут 1 - корпус, 2 і 3 - відповідно конфузорний і дифузорний канали сопла Лаваля, між якими знаходиться тороїдальна вихрова камера 4, додаткова камера 5, у яку через штуцер 6 подається рідина. Конфузорний канал 2 проходить крізь герметизований блок 7, у якому виконана половина тороїдальної вихрової камери 4 з ежектуючими отворами 8 для подачі рідини. Інша половина тороїдальної вихрової камери 4 виконана в блоці 9, що містить дифузорний канал 3. Обидві половини тороїдальної вихрової камери 4 об'єднуються за допомогою з'єднувальної гайки 10. Між половинами тороїдальної вихрової камери 4 у площині перерізу, що проходить через діаметр цієї камери й перпендикулярний осі сопла Лаваля можна встановлювати шайби 11 різної товщини, що забезпечує зміну відстані між торцем конфузорного каналу 2 і вхідним отвором дифузорного каналу 3 і зміну об'єму тороїдальної вихрової камери 4. Корисна модель працює наступним чином. Форсунка працює за принципом відцентрованої форсунки з індивідуальними вібраційнорезонансними коливальними особливостями й регульованим ступенем розрідження в тороїдальній вихровій камері. Стиснене повітря під тиском надходить у звужуваний конфузорний канал 2. На виході каналу швидкість повітря V обернено пропорційна площі перерізу S на виході конфузорного каналу, що випливає з рівняння нерозривності потоку V    S  const , де  - щільність повітря. 1 UA 96854 U Мінімальний переріз, в якому досягається швидкість руху потоку, рівна швидкості звуку критичний переріз. В ньому критичний перепад тиску становить кр  Ркр * Р0 k  2  k 1 ,    k  1 * де Ркр - статичний тиск у критичному перерізі; Р 0 - повний тиск на вході в сопло: k 5 10 показник адіабати. З формули для кр видно, що критичне відношення тисків є тільки функцією фізичних властивостей газу. Для повітря k=1,4 і, отже, βкр = 0,528. При великій швидкості повітряного потоку статичний тиск у критичному перерізі невеликий, що забезпечує розрідження в тороїдальній вихровій камері. Тороїдальна вихрова камера являє собою акустичний резонатор, що має власну частоту коливань. Відомо [Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія, 1983. - С. 928], що власна частота резонатора Гельмгольца дорівнює: C0 S ,  2 V L де F - частота, C0 - швидкість звуку в повітрі; S - площа перерізу отвору горловини; L довжина горловини; V - об'єм резонатора. У першому наближенні можна вважати, що й власна частота тороїдального вихрового резонатора також залежить від величини цих параметрів. Під впливом виниклого розрідження в тороїдальній вихровій камері 4 через штуцер 6 у змішувальну камеру 5 надходить розпилювана рідина номінальної в'язкості, що по каналах 8 подається в тороїдальну вихрову камеру 4. Це приводить до встановлення в цій камері незатухаючих коливань із цілком визначеною амплітудою й частотою, що сприяє дробленню рідини, що надходить. Під дією відцентрово-резонансного ефекту розпилювана рідина заповнює частину об'єму тороїдальної вихрової камери з утворенням у ній вихрів, а по осі утворюється стійкий рідинно-повітряний джгут, що безупинно втрачає частину своєї маси під дією швидкісного повітряного потоку між конфузорним і дифузорним каналами. Наявність вихрів у камері сприяє дробленню крапель рідини. Таким чином, у повітряному потоці утворюється аерозольно-дисперсійний компонент, що розпилюється далі з дифузорного каналу. Кількість вихорів у тороїдальній вихровій камері буде залежати від критерію Рейнольдса Re, що характеризує гідродинамічний режим руху рідини. Чим більше число Re, тим вища турбулентність, тобто більша кількість вихорів у тороїдальній камері. У свою чергу критерій Рейнольдса [Б.М. Бахмачевский, Р.Г. Зак и др. Теплотехника. - М.: Металлургиздат, 1963. - 192] d , Re   де  - швидкість потоку, d - еквівалентний діаметр каналу,  - коефіцієнт кінематичної в'язкості, тобто при зміні в'язкості рідини  змінюється гідродинамічний режим її руху: при збільшенні в'язкості рідини зменшується турбулентність, зменшується кількість вихорів у тороїдальній камері. Зміна в'язкості поступаючої рідини (нова рідина) приводить як до зміни числа Рейнольдса, так і до зміни частоти й амплітуда коливань у системі "резонаторна камера - нова рідина". Вібраційно-резонаторні характеристики тороїдальної вихрової резонаторної камери 4 можна регулювати установкою шайб 11 між половинками цієї камери. Одночасно установка шайб приводить до збільшення еквівалентного діаметра каналу, тобто до підвищення турбулентності, збільшенню кількості вихорів у тороїдальній вихровій камері, що сприяють дробленню рідини. В остаточному підсумку, це приводить до стабілізації ефективності розпилення рідини на заданому рівні. У цілому, постановка шайб приводить до зміни відстані між виходом конфузорного каналу 2 і входом дифузорного каналу 3, що вплине на продуктивність форсунки, тобто збільшить її ефективність. Визначення працездатності розробленої форсунки здійснювалося способом натурних 2 випробувань. Як робочий компонент використовували повітря під тиском 5 кг/см , а як розпилювані компоненти - воду, топковий мазут [ГОСТ 10595-99. Топливо нефтяное. Мазут] і альтернативне паливо (АБП) [виготовляється у відповідності з патентом UA № 83980 "Альтернативне паливо і спосіб його приготування", опубл. 25.06.2008, бюл. № 12, по технічних умовах "Біопаливо альтернативне АБТ. Технічні умови. ТУ У 24.1-02071197-001:2009]. Вода - ньютонівська рідина з в'язкістю, рівною одиниці, у градусах Енглера°Е [Физический энциклопедический словарь. - М: Советская энциклопедия, 1983. - С. 928]. Топковий мазут можна розглядати як типовий приклад переходу від ньютонівських рідин при температурі вище F 15 20 25 30 35 40 45 50 2 UA 96854 U 5 10 15 20 100 °C до в'язкотекучих рідин при температурі 20 °C. Особливе місце займає АБП із власною структурою, утвореною дисперсними гідрофільними частками, розосередженими у водомасляній емульсії, і відсутністю певної в'язкості, обумовленої природою компонентів, і залежної тільки від співвідношення компонентів і дисперсності твердої гідрофільної складової. У таблиці 1 наведені характеристики в'язкості в градусах Енглера°Е для зазначених компонентів. Для топкового мазуту й АБП робоча температура була 50 °C, для води - 25 °C. Для характеристики впливу в'язкості на ефективність розпилення компонента форсункою введений показник П, що дорівнює відношенню об'єму розпиленого компонента до об'єму повітря при постійній температурі й постійному тиску повітря за 60 хвилин. Значення показника П при різній в'язкості розглянутих компонентів з використанням розробленої форсунки наведені в таблиці 2. У таблиці 3 наведені випробування по визначенню впливу товщини шайб, установлюваних у резонаторну тороїдальну вихрову камеру, на показник П. Наочно видно, що установка в тороїдальну вихрову камеру шайби товщиною 0,25 мм сприяє підстроюванню цієї камери в режим, що забезпечує збільшення показника П. Це підтверджує можливість регулювання характеристик резонаторної тороїдальної вихрової камери відповідно до використання розпилюваних речовин різної в'язкості. Одночасно встановлено, що при збільшенні в'язкості й збільшенні товщини встановлюваних шайб виникає ефект "запирання", що обумовлює припинення надходження розпилюваного компонента в тороїдальну вихрову камеру. Таблиця 1 Температура, °C 25 50 Топічній мазут,°Е 17…25 8…15 АБТ,°Е 15…20 5…12 Вода,°Е 1,0 Таблиця 2 Топічній мазут В'язкість,°Е Показник П 15 0,08 11 0,12 8 0,16 В'язкість,°Е 12 8 5 АБТ Показник П 0,13 0,16 0,19 В'язкість,°Е Вода Показник П 1,0 0,5 Таблиця 3 Товщина шайби, мм 0 0,25 0,75 1,25 1,75 25 30 35 8 0,16 0,16 0,07 0,03 0 Топічній мазут,°Е II 15 0,12 0,08 0,08 0,03 0,035 0 0 0 0 0 5 0,19 0,20 0,19 0,13 0,05 АБТ,°Е 8 0,16 0,16 0,08 0,03 0 12 0,13 0,13 0.05 0 0 Вода,°Е 1 0,5 0,6 0,55 0,5 0,45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Форсунка, що містить корпус із каналами подачі повітря й рідини, кільцеву камеру, з'єднану з каналом подачі рідини, містить сопло Лаваля, що складається із конфузорного каналу, що звужується, і дифузорного, що розширюється, у якому конфузорний канал з'єднаний з лінією подачі повітря, тороїдальну вихрову камеру, розташовану між конфузорним та дифузорним каналами, додаткову кільцеву камеру, що з'єднана з тороїдальною вихровою камерою за допомогою ежектуючих отворів з одного боку, і з лінією подачі повітря з іншого, яка відрізняється тим, що тороїдальна вихрова камера виконана розбірною по перерізу, що проходить через діаметр цієї камери й перпендикулярному осі сопла Лаваля, з можливістю установки в цьому перерізі шайб різної товщини, причому половина тороїдальної вихрової камери виконана в герметизуючому блоці, а друга - у блоці, що містить дифузорний канал, що зістикований з герметизуючим блоком, який фіксується. 3 UA 96854 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4