способ получения смеси диспергированной жидкости с газом

Формула изобретения

1. Способ получения смеси диспергированной жидкости с газом в ограниченном объеме путем подачи диспергируемой жидкости на рабочую поверхность движущегося тела и последующего распыления, отличающийся тем, что осуществляют движение тела вдоль направляющей в режиме чередующихся разгона и торможения, а подачу диспергируемой жидкости производят дозированно на стадии, при которой рабочая поверхность способна удерживать жидкость.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве движущегося тела используют поршень поршневой машины, а подачу жидкости производят на рабочую поверхность на торце поршня.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что площадь и форму рабочей поверхности регулируют.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в облаке распыленной жидкости создают электроискровой разряд с обеспечением возможности разлета в направлениях, параллельных рабочей поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике распыления (диспергирования) жидкостей и может быть использовано в отраслях промышленности, где требуется повышенная однородность смеси диспергированной жидкости с газом (газовзвеси или аэровзвеси), в частности при приготовлении топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Из уровня техники известен способ распыления жидкости в ограниченном объеме при помощи форсунок (см. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989 г., статья "Форсунка", с. 571). В этом случае жидкость под большим давлением впрыскивается в ограниченный рабочий объем (например, в цилиндр ДВС) в виде расширяющейся струи.

Недостатком этого способа является ограничение достижимого угла расширения струи диспергированной жидкости и вследствие этого недостаточно полное ее перемешивание с воздухом в рабочем объеме, что, например, в ДВС может приводить к недостаточному перемешиванию диспергированного топлива с воздухом и его неполному сгоранию.

Существует способ распыления жидкостей в ограниченном объеме, в котором струя жидкости подается на движущееся тело в виде вращающегося диска с плоской рабочей поверхностью и распыляется за счет центробежного течения жидкости по поверхности диска (а.с. СССР SU 1098576, 23.06.84, бюл. 23).

Струя жидкости в данном случае должна приобретать осесимметричную форму плоского разлетающегося диска и вследствие этого возможности ее перемешивания с воздухом, то есть достижение однородности диспергируемой среды в рабочем объеме, будут ограничены.

Технологии диспергирования жидкостей находят широкое применение в технике: в распылительной сушке, при нанесении лакокрасочных покрытий, при туманном орошении, для проведения процессов мокрого пылеулавливания и абсорбции вредных веществ из газовой фазы и других процессах и, в частности, при приготовлении топливной смеси в ДВС.

Во всех этих процессах одной из основных задач является достижение возможно более высоких степеней однородности смеси. В частности, в ДВС повышение однородности смеси приводит к более полному сгоранию топлива.

Изобретение направлено на достижение более равномерного перемешивания диспергируемой жидкости с газом (в частности, с воздухом). Применение этого способа в ДВС должно обеспечить более равномерное по сравнению с форсункой перемешивание жидкого топлива с воздухом, его более полное сгорание и снижение загрязнения окружающей среды.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого способа, является

- возможность получения более однородной смеси жидкости с газом и

- возможность управления величиной и формой создаваемого облака аэровзвеси.

Технический результат, состоящий в возможности получения более однородной смеси, достигается за счет того, что в отличие от известного способа, включающего подачу диспергируемой жидкости на рабочую поверхность движущегося тела в ограниченном объеме и последующее распыление, в предлагаемом способе осуществляют движение тела вдоль направляющей в режиме чередующихся разгона и торможения, а подачу диспергируемой жидкости производят дозировано в стадии движения тела, при которой рабочая поверхность способна удерживать жидкость.

В частном случае в качестве движущегося тела может быть использован поршень поршневой машины, а подачу жидкости производят на рабочую поверхность на торце поршня.

Кроме того, для обеспечения возможности управления величиной и формой создаваемого облака смеси площадь и форму рабочей поверхности регулируют.

Для обеспечения дополнительной возможности управления величиной и формой создаваемого облака смеси в этом облаке создают электроискровой разряд.

Сущность способа состоит в следующем.

Заявляемый способ основан на использовании явления гидродинамической неустойчивости Рэлея-Тейлора (G.l. Taylor. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I. Proc. Roy. Soc. , v.A201, p.192, 1950) и связанного с нею турбулентного перемешивания (ТП). Неустойчивость Рэлея-Тейлора развивается на границе раздела двух сред разной плотности, движущейся с ускорением, направленным от более легкой среды к более тяжелой. Газ (в том числе и сжатый) практически всегда легче конденсированной среды и поэтому граница между газом и жидким слоем будет неустойчивой, если ускорение направлено от газа к жидкости, и устойчивой, если ускорение направлено от жидкости к газу.

Развитие начальных возмущений неустойчивой границы газ-жидкость приводит к развитию зоны ТП двух сред и распространению зоны ТП вглубь слоя. В зоне ТП (более легкий) газ проникает в (более тяжелую) жидкость в виде растущих со временем пузырей, а та, в свою очередь, проникает в газ в виде струй. На конце этих струй жидкость дробится на капли.

Эксперименты по ускорению слоя жидкости сжатым газом, выполненные во ВНИИЭФ, показывают, что после того как зона ТП пройдет через слой, процесс фрагментации слоя жидкости и его перемешивание с газом продолжаются, причем ширина слоя раздробленной жидкости растет со временем. Т.е. все более и более обширная область газа оказывается перемешанной с жидкостью. В зоне перемешивания жидкость дробится на капли и в результате возникает слой взвеси капель жидкости в газе (газе, ускоряющем слой); со временем ширина слоя газовзвеси растет и по данным экспериментов может вырастать в десятки раз по сравнению с первоначальной толщиной слоя жидкости.

В отличие от способа прототипа, в котором тело с рабочей поверхностью совершает вращательное движение, в заявляемом способе создается одномерное движение тела вдоль направляющей в режиме чередующихся стадий разгона и торможения, т.е. тело постоянно движется с ускорением, направление вектора которого параллельно направляющей, а знак меняется с изменением стадии. В простейшем случае рабочая поверхность может иметь форму плоскости, нормальной к направляющей. В этом случае вектор ускорения будет также нормален рабочей поверхности и, когда этот вектор на рабочей поверхности будет направлен из тела, то на рабочей поверхности создается искусственная сила тяжести. В общем случае рабочая поверхность может быть не обязательно плоской. Она может быть выполнена вогнутой; в форме канавки; в частном случае может быть выбрана плоская рабочая поверхность, нормальная к направлению движения и ограниченная по периметру барьером и т.д., в любом случае она должна быть способна удерживать диспергируемую жидкость на указанной стадии движения (когда вектор ускорения, проходящий через рабочую поверхность, будет направлен из тела).

При подаче дозированного количества диспергируемой жидкости на рабочую поверхность тела (с учетом ее способности удерживать жидкость на этой стадии) под действием указанной искусственной силы тяжести жидкость разливается по плоской рабочей поверхности в виде тонкого слоя, т.е. рабочая поверхность способна удерживать жидкость за счет искусственно создаваемой силы тяжести. На этой стадии движения тела поверхность слоя жидкости является устойчивой.

Затем с изменением знака ускорения свободная поверхность слоя жидкости становится неустойчивой и на ней образуется зона ТП на границе жидкости и газа. Развитие зоны ТП приводит к диспергированию жидкости и ее перемешиванию с газом одновременно по всей поверхности растекшегося слоя жидкости. Процесс этот продолжается до остановки тела.

Таким образом, в отличие от форсунки, из которой исходит конусообразная струя диспергированной жидкости, которая внедряется в газ, и в отличие от прототипа, в котором с вращающегося тела слетает струя в форме плоского диска, в нашем случае процессы диспергирования топлива и образования смеси идут параллельно и по всей площади разлившегося по рабочей поверхности слоя жидкости и в результате в рабочем объеме по всей площади рабочей поверхности создается растущий со временем по толщине слой смеси диспегированной жидкости и газа, более однородной по составу.

Форма рабочей поверхности может быть выбрана в виде выемки или канавки на плоском участке поверхности. В этом случае диспергируемая жидкость будет разливаться по выемке или канавке на стадии разгона и затем на стадии торможения будет создаваться облако аэровзвеси, повторяющее контуры указанных выемки или канавки, т.е. реализуется возможность управления величиной и формой создаваемого облака аэровзвеси.

Дополнительные возможности для регулирования формы и величины образующегося облака смеси жидкости с газом можно получить, производя в этом облаке электроискровой разряд. Энерговыделение в разряде приведет к дополнительному разлету облака диспергированной жидкости в направлении, нормальном к направлению движения тела с рабочей поверхностью, и дополнительному перемешиванию диспергированной жидкости с газом.

В частном случае ускоряемым телом в ограниченном объеме может быть поршень поршневой машины (см. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989 г., статья "Поршневая машина", с.406) (в частности, это может быть поршень дизельного ДВС), совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре. В данном случае направляющей являются стенки цилиндра. Если поршень выполнен с плоским торцем, нормальным к образующей боковой поверхности поршня, то этот торец является рабочей поверхностью, движущейся с ускорением, вектор которого нормален к рабочей поверхности. В поршневых машинах характер движения поршня определяется вращением коленвала, с которым он связан. При этом как нетрудно показать, что в системе координат, начало которых связано с осью вращения коленвала, а положительное направление оси Х совпадает с осью поршня, движение поршня подчиняется простой закономерности: X = rcos(t)+const, где X - путь, проходимый поршнем, r - радиус шатунной шейки коленвала, - угловая скорость вращения шатунной шейки (угол отсчитывается от положения шатунной шейки коленвала, при котором поршень находится в верхней мертвой точке), t - время. В свою очередь, скорость V и ускорение g поршня для постоянного описываются зависимостями: V = -rsin(t) и g = -r²cos(t). В этом случае на отрезке времени, когда ускорение имеет положительный знак (т.е. когда cos(t) является отрицательным), на плоскости торца поршня создается искусственная сила тяжести и при подаче дозированной диспергируемой жидкости (топлива) на торец поршня на этой стадии свободная поверхность жидкости будет устойчива и под действием указанной силы жидкость будет разливаться по поверхности торца поршня в виде слоя, т.е. жидкость удерживается на рабочей поверхности за счет искусственно создаваемой силы тяжести. Для того чтобы препятствовать стеканию жидкости с рабочей поверхности, можно использовать барьер, но в некоторых случаях он не обязателен, поскольку время растекания диспергируемой жидкости по рабочей поверхности может быть больше времени стадии движения с положительным знаком ускорения.

Положительное ускорение поршня имеет максимум в нижней мертвой точке (НМТ); затем ускорение уменьшается постепенно до нуля и вслед за этим изменяет знак и вместе с тем растет по модулю. При этом поверхность жидкости становится неустойчивой и на ней развивается зона ТП. Развитие зоны ТП приводит к диспергированию жидкости и ее перемешиванию с газом одновременно по всей поверхности слоя жидкости, растекшейся по торцу поршня, что и способствует повышению степени однородности диспергируемой среды.

Для обеспечения удержания жидкости на рабочей поверхности (торце поршня) последняя может иметь, например, барьер, препятствующий стеканию с нее диспергируемой жидкости. Положение и форма границы барьера будет задавать форму и площадь рабочей поверхности. Путем регулирования положения и формы барьера можно регулировать форму и площадь зеркала диспергируемой жидкости, растекающейся по рабочей поверхности, и, соответственно, регулировать форму и величину образующегося облака смеси жидкости с газом.

Дополнительные возможности для регулирования формы и величины образующегося облака смеси жидкости с газом можно получить, производя в этом облаке электроискровой разряд. Энерговыделение в разряде приведет к дополнительному разлету облака диспергированной жидкости в направлении, нормальном к направлению движения поршня, и дополнительному перемешиванию диспергированной жидкости с газом.

Описанный способ может быть осуществлен при помощи любого устройства, в котором создается одномерное возвратно-поступательное движение тела с рабочей поверхностью, нормальной к направлению движения. В частности, это может быть любая поршневая машина, в которой поршень имеет торец с поверхностью, нормальной к образующей поршня, и совершает возвратно-поступательное движение вдоль направляющей.

В частности, это может быть дизельный ДВС; но и отличие от обычного дизеля, в котором топливо впрыскивается через форсунку в цилиндр в стадии сжатия воздуха, приближающегося к максимальному, в нашем случае топливо должно подаваться на торцевую поверхность поршня в виде одной или нескольких капель или недиспергированной струи (дозировано) на стадии, когда поршень движется с положительным ускорением (в указанной выше системе координат).

Заявляемый способ основан на использовании явления гидродинамической неустойчивости Рэлея-Тейлора (G.I. Taylor. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I. Proc. Roy.Soc., v.A201, p.192, 1950).

Суть этого явления заключается в следующем. Граница раздела двух сред разной плотности устойчива, если граница движется с ускорением, направленным от тяжелой среды к легкой (или это граница двух сред в поле силы тяжести, направленной от легкой среды к тяжелой), в этом случае начальные возмущения границы затухают со временем. Если же граница двух сред движется с ускорением, направленным от более легкой среды к более тяжелой (или это граница двух сред в поле силы тяжести, направленной от тяжелой среды к легкой), то граница сред будет неустойчивой, любые малые начальные возмущения границы растут неограниченно и в результате на границе возникает и на всей неустойчивой поверхности одновременно развивается зона ТП.

Газ (в том числе и сжатый (но не сжиженный)) практически всегда легче конденсированной среды и поэтому граница между воздухом и жидким слоем будет неустойчивой, если ускорение направлено от газа к жидкости, и устойчивой, если ускорение направлено от жидкости к газу.

В процессе развития зоны ТП жидкость проникает в газ в виде струй, дробящихся на мелкие капли, размер которых определяется соотношением сил поверхностного натяжения и ускорения границы. Газ проникает в жидкость в виде растущих со временем пузырей. Скорость роста зоны ТП (глубины проникновения зоны ТП в жидкость h_пуз) описывается зависимостью h_пуз = _пузAgt², где _пуз0.07 эмпирическая константа, A = (₁-₂)/(₁+₂), ₁, ₂ - плотности жидкости и газа, g - ускорение, t - время (см. Н.А. Иногамов, А.Ю. Демьянов, Э.Е. Сон. Гидродинамика перемешивания. М.: Изд-во МФТИ, 1999).

Эксперименты по исследованию развития зоны ТП на границе жидкого слоя, ускоряемого сжатым газом, выполненные во ВНИИЭФ, показывают, что зона ТП полностью охватывает ускоряемый слой при прохождении им пути, приблизительно равного двум исходным толщинам слоя. После того как зона ТП пройдет через слой, процесс фрагментации слоя жидкости и его перемешивание с газом продолжаются, причем ширина слоя раздробленной жидкости растет со временем.

Т. е. все более и более обширная область газа оказывается перемешанной с жидкостью. В зоне перемешивания жидкость дробится на капли и в результате возникает слой взвеси капель жидкости и газа (газа, ускоряющего слой); со временем ширина слоя газовзвеси растет и по данным экспериментов может вырастать в десятки раз по сравнению с первоначальной толщиной слоя жидкости.

Рассмотрим с учетом изложенных сведений ситуацию, возникающую при использовании в качестве поршневой машины один из возможных вариантов дизельного ДВС с коленчатым валом, имеющим радиус шатунной шейки 47 мм, и со скоростью вращения коленвала от 800 до 4200 оборотов/мин. При этом предположим, что поршень (движущееся тело) имеет плоский торец (рабочую поверхность), нормальный к образующей боковой поверхности, и совершает возвратно-поступательное движение, т.е. движение в режиме последовательного разгона и торможения вдоль направляющей - стенки цилиндра с ходом, равным 94 мм.

Нетрудно сделать расчетные оценки, характеризующие кинематику движения поршня.

В НМТ поршень начинает двигаться из состояния, когда его скорость равна нулю, а ускорение направлено по нормали к рабочей поверхности - торцу от поршня в сторону воздуха, сжимаемого в цилиндре, и имеет максимальную величину, равную 330-9100 м/с² (в зависимости от числа оборотов коленвала). Эта величина в ~30-900 раз превосходит ускорение силы тяжести, и поэтому влиянием силы земного тяготения в данном случае можно пренебречь. С другой стороны, на каплю жидкого топлива, попавшую во время дозированной подачи на торцевую поверхность поршня на стадии движения с положительным ускорением, действует искусственная сила тяжести, превосходящая ее обычный вес при максимуме ускорения в НМТ в ~30-900 раз. Под действием этой силы жидкость будет растекаться по поверхности торца поршня, т.е. на данной стадии движения рабочая поверхность способна удерживать жидкость. Воспрепятствовать стеканию жидкости можно при помощи барьера на краю торца поршня. В некоторых случаях барьер может оказаться не нужен, если время растекания капли топлива по торцу будет больше длительности времени стадии разгона поршня.

На стадии движения поршня от НМТ и до половины проходимого им пути ускорение будет постепенно уменьшается до нуля, а скорость возрастает до величины 3,9-20,7 м/с.

На стадии движения поршня от половины пройденного им пути и до ВМТ ускорение меняет знак и постепенно нарастает вплоть до экстремального значения 330-9100 м/с², но с обратным знаком по отношению к ускорению в НМТ.

На этой стадии торможения граница между сжимаемым воздухом и слоем жидкости на поршне становится неустойчивой и на ней развивается зона турбулентного перемешивания, и в результате по всей площади слоя жидкости должно формироваться облако диспергированного жидкого топлива, перемешанного со сжатым воздухом. К моменту максимального сжатия воздуха будет достигаться и максимальная степень перемешивания с ним диспергированного топлива и однородность смеси топлива с воздухом, что должно обеспечивать более полное сгорание топлива после вспышки, возникающей вследствие нагрева при сжатии.

Дополнительные возможности для регулирования формы и величины образующегося облака смеси жидкости с газом можно получить, производя в этом облаке электроискровой разряд. Энерговыделение в разряде приведет к дополнительному разлету облака диспергированной жидкости в направлениях, параллельных рабочей поверхности, и дополнительному перемешиванию диспергированной жидкости с газом.

Это может оказаться удобным при использовании в дизельных ДВС для достижения синхронизации момента образования оптимального по размерам и концентрации топлива в смеси облака и момента вспышки топлива, возникающей при адиабатическом сжатии смеси топлива с воздухом. В подобном случае в качестве рабочей поверхности может служить относительно небольшая по площади выемка на торце поршня и, соответственно, при этом вследствие развития неустойчивости будет создаваться относительно небольшое (в поперечном размере) облако смеси, которое в заданный момент после электроискрового разряда будет разлетаться до нужных размеров.

В поршневой машине может создаваться диспергированная смесь не только топлива, но и любой другой жидкости с воздухом (или иным газом). После достижения максимального сжатия (или несколько позднее) приготовленная смесь может выпускаться из цилиндра через открывающийся клапан.

Таким образом, в результате организации движения тела в режиме разгона - торможения с определенным ускорением (изменения характера течения по сравнению с прототипом) и режимом подачи топлива, а также спецификой рабочей поверхности движущегося тела и дополнительного энерговыделения от электроискрового разряда в облаке смеси обеспечена возможность получения диспергированной среды с повышенной степенью однородности и возможностью регулирования размеров и формы облака диспергируемой жидкости.