способ оценки параметров факела распыла дисперсионноспособной технологической жидкости и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, заключающийся в том, что полученный из распылительного устройства факел жидкости в заданном месте и направлении «рассекают» лазерной световой плоскостью, сформированной из импульсного луча импульсного лазера с помощью оптической системы в виде плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности, регистрируют фоторегистратором и передают в ЭВМ для дальнейшей обработки импульсное световое изображение рассеченной части факела и определяют параметры дисперсионного распыла капель в данной части факела, отличающийся тем, что дополнительно производят определение скоростей движения капель факела с помощью лазер-доплеровского эффекта, для этого используют излучение дополнительного непрерывного лазера, которое с помощью оптической схемы делят на два пересекающихся луча, в области их пересечения формируют измерительный объем с пространственно-периодическим распределением интенсивности света, при этом частота света, рассеянного движущейся каплей, отличается от частоты падающего света лазера на величину, зависящую от скорости движения капли и однозначно с ней связанную, это излучение собирают в большом телесном угле с помощью объектива и через диафрагму подают в цифровой фотоприемник, где с помощью анализатора спектра производят электронный спектральный анализ частот рассеянного света и определяют центральную частоту спектра f_D, также фиксируют значение длины волны £ излучения лазера, а скорость движения капли определяют по формуле: , где телесный угол схождения лучей, а также по зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара Q=0,524·D³, где D - диаметр шара диспергированной капли, для этого в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных классовых диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности, в каждом классе от первого минимального до последнего максимального последовательно определяют в общем случае дробный коэффициент приведенного количества n_{прив i} капель класса на единицу площади изображения, умножают эту величину на объем Q_i шара капли своего класса для получения величины приведенного на единицу площади суммарного объема капель своего класса, полученные дискретные величины приведенных на единицу площади суммарных объемов капель всех классов n _привiQ_i (i=1 i_max) и общую сумму этих объемов n_привiQ_i при i=1 i_max используют в дальнейшей математической статистической и/или интегральной обработке для определения базового параметра-коэффициента поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве базового параметра поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла используют выборочное статистическое стандартное (среднее квадратичное) отклонение, характеризующее степень разброса суммарных объемов капель классов от монодисперсного состояния: в общем случае чем эта неотрицательная величина меньше, тем исследуемая часть факела является более монодисперсной.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что получают систему световых изображений различных частей факела, в первую очередь перпендикулярно главной оси распространения факела распыла и определяют параметры распыла капель в этих частях факела как по отдельности, так и совместно интегрально по всему факелу с учетом приведения суммарных объемов n_привiQ_i капель всех классов на общую единицу площади изображений.

4. Установка для оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, включающая лазерный импульсный источник света, распылительное устройство для формирования факела распыла, оптическую систему для формирования и направления на исследуемую часть факела распыла плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности по всей плоскости от лазерного импульсного источника света, цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения исследуемой части факела распыла, ЭВМ для хранения и обработки цифровых сигналов зарегистрированных изображений, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит непрерывный лазер, оптическую схему делителя его луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага, цифровой фотоприемник с электронным анализатором спектра частот пространственно-периодического распределения интенсивности рассеянного света в измерительном объеме в исследуемой части факела распыла для определения скоростей движения капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля и регулирования параметров дисперсных сред.

Уровень техники

Известен близкий аналог - оптико-электронный «Способ экспресс-анализа характеристик топливного факела» (патент на изобретение № 2259554, опубликован 27.08.2005 г.), заключающийся в том, что экспресс-анализ факела достигается за счет определения локальных распределений капель по размеру в различных точках факела при его сечении лазерной плоскостью. В качестве таких распределений для описания структуры дисперсных сред используют двухпараметрическую зависимость Розин-Раммлера. Определяют параметры D_cp , мкм (характерный средний диаметр капель) и n (константа распределения Розин-Раммлера капель по размеру), характеризующие дисперсность распределенного топлива. Там же описана установка для реализации указанного способа.

Основными недостатками этого изобретения, которые не позволяют достаточно эффективно применять данный способ и установку для измерения и оценки параметров, регулирования и конструирования распылительных устройств (РУ) для получения дисперсных факелов технологических жидкостей с разной заданной степенью диспергирования, являются следующие:

- отсутствует такая важная характеристика дисперсных потоков, как скорость движения капель в разных частях факела распыла. Капли одного размера (тем более жидкого топлива), но двигающиеся с разными скоростями, дадут разный конечный эффект;

- на вход в РУ подают объем жидкости с заданным расходом (например, мл/сек), а на выходе определяют, так называемый, «среднедисперсный» размер D_cp.,мкм, который линейно не увязан с дисперсным микрообъемом (мкм³) диспергированной жидкости, поэтому параметр D_cp.,мкм, не может служить определителем дисперсного микрообъема, получаемого на выходе из РУ;

- «средние» диаметры для всех диспергированных капель факела жидкости сферической формы с размерами D 5,0 мкм, - технологически применяемыми в промышленности, медицине, сельском хозяйстве (и в целом ряде других отраслей науки и техники), - в природе не существуют: микрообъемы капель, рассчитанные по виртуальным «средним» диаметрам практически плохо математически коррелируют с микрообъемами, рассчитанными по их фактическим диаметрам.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является преодоление недостатков указанного аналога в части расширения функциональных возможностей способа и установки за счет измерения скоростей диспергированных капель и получения результатов оценки параметров факела распыла посредством анализа величин приведенных интегральных объемов капель на единицу площади с сортировкой по последовательности смежных диапазонов размеров капель.

Для решения этой задачи предлагается способ оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости, заключающийся в том, что полученный из распылительного устройства факел жидкости в заданном месте и направлении «рассекают» лазерной световой плоскостью, сформированной из импульсного луча импульсного лазера с помощью оптической системы в виде плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности. Регистрируют фоторегистратором и передают в ЭВМ для дальнейшей обработки импульсное световое изображение рассеченной части факела и определяют параметры дисперсионного распыла капель в данной части факела. При этом дополнительно производят определение скоростей движения капель факела с помощью лазер-доплеровского эффекта, для чего используют излучение дополнительного непрерывного лазера, которое с помощью оптической схемы делят на два пересекающихся луча. В области их пересечения формируют измерительный объем с пространственно-периодическим распределением интенсивности света, при этом частота света, рассеянного движущейся каплей, отличается от частоты падающего света лазера на величину, зависящую от скорости движения капли и однозначно с ней связанную. Это излучение собирают в большом телесном угле с помощью объектива и через диафрагму подают в фотоприемник, где с помощью анализатора спектра производят электронный спектральный анализ частот рассеянного света и определяют центральную частоту спектра f_D, также фиксируют значение длины волны £ излучения лазера. Скорость движения капли определяют по формуле: , где - телесный угол схождения лучей. Также по зарегистрированному импульсному световому изображению рассеченной плоской с малой толщиной части факела распыла определяют параметры распыла капель в данной части факела с помощью системы единиц дисперсности на основе формулы объема шара (сферы) капли Q=0,524·D³ , где D - диаметр шара диспергированной капли. Для этого в указанном изображении производят сортировку и подсчет количества капель стандартных (по ОСТ 10.6.1-2000) классов диапазонов микроскопических размеров в их смежной последовательности. В каждом классе от первого минимального до последнего максимального последовательно определяют в общем случае дробный коэффициент приведенного количества n_привi капель класса на единицу площади изображения. Умножают эту величину на объем Q_i шара капли своего класса для получения величины приведенного на единицу площади суммарного объема капель своего класса. Полученные дискретные величины приведенных на единицу площади суммарных объемов капель всех классов n_привiQ_i (i=1 i_max) и общую сумму этих объемов n_привiQ_i при i=1 i_max используют в дальнейшей математической статистической и/или интегральной обработке для определения базового параметра-коэффициента поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла. В качестве базового параметра поли- или монодисперности исследуемой части факела распыла используют выборочное статистическое стандартное (среднее квадратичное) отклонение, характеризующее степень разброса суммарных объемов капель классов от монодисперсного состояния. В общем случае чем эта неотрицательная величина меньше, тем исследуемая часть факела является более монодисперсной.

Также могут получать систему световых изображений различных частей факела, в первую очередь, перпендикулярно главной оси распространения факела распыла и определять параметры распыла капель в этих частях факела как по отдельности, так и совместно интегрально по всему факелу с учетом приведения суммарных объемов n_привiQ_i капель всех классов на общую единицу площади изображений.

Установка для реализации способа оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости включает лазерный импульсный источник света, распылительное устройство формирования факела распыла, оптическую систему для формирования и направления на исследуемую часть факела распыла плоского светового пучка с равномерным распределением его интенсивности от лазерного импульсного источника света, цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения исследуемой части факела распыла, ЭВМ для хранения и обработки цифровых сигналов зарегистрированных изображений. При этом установка дополнительно содержит непрерывный лазер, оптическую схему делителя его луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага, цифровой фотоприемник с электронным анализатором спектра частот пространственно-периодического распределения интенсивности рассеянного света в измерительном объеме в исследуемой части факела распыла для определения скоростей движения капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.

Перечень фигур

фиг.1 - принципиальная схема предлагаемой установки;

фиг.2 - схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ;

фиг.3 - схема примера распределения скоростей диспергированных капель в факеле РУ;

фиг.4 - график примера распределения приведенных на единицу площади интегральных объемов монодисперсных капель последовательности смежных диапазонов размеров.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схемы предлагаемой установки для реализации способа позициями обозначены: 1 - непрерывный He-Ne лазер ЛГН-503; 2 - оптическая схема делителя луча с переменным шагом и устройством регулирования переменного шага; 3 - объектив с цифровым фоторегистратором (3а); 4 - анализатор спектра; 5 - импульсный лазер ЛГИ-215; 6 - поворотные головки; 7 - комбинированные линзы; 8 - цифровой фоторегистратор приема импульсного изображения, юстированный по плоскости, секущей факел, и перпендикулярный этой плоскости; 9 - распылительное устройство (РУ); 10 - ЭВМ для хранения и обработки цифровых данных дисперсности сечений факела и скоростей движения диспергированных капель с помощью лазер-доплеровского эффекта.

Как импульсный рубиновый (ЛГИ-215), так и непрерывный He-Ne (ЛГН-503) лазеры входят в состав одной измерительной голографической установки УИГ-12, но конструктивно в установке расположены раздельно и работают также раздельно. He-Ne лазер смонтирован непосредственно на плите голографического стола и фокусирован на факел форсунки, а импульсный - под плитой, откуда с помощью поворотных головок 6 также фокусирован на тот же факел форсунки. В установке использован метод «лазерного ножа»: луч импульсного рубинового лазера 5 преобразуется в плоский тонкий световой пучок (0,5 1 мм) с равномерным распределением его интенсивности с помощью оптической системы 7, представляющей собой комбинацию короткофокусной цилиндрической линзы и длиннофокусной телескопической системы с переменным фокусным расстоянием. Импульс «лазерного ножа» (5 микросекунд) рассекает факел работающей форсунки в заданном месте. Все капли, попавшие в плоскость сечения, регистрируются цифровым фоторегистратором 8, расположенным строго перпендикулярно этой плоскости и юстированным по отношению к ней. Так как рабочая толщина «лазерного ножа» - от 0,5 до 1 мм, а размер капель меньше по крайней мере на порядок, то основная масса капель (90 95%) освещены полностью и дают достаточно объективную информацию о своем истинном размере. Капли, попавшие в плоскость «лазерного ножа», не рассекаются им, а только освещаются в течение 5 микросекунд и дают возможность неразрушающим контролем оценить свои размеры с помощью фоторегистратора с последующей обработкой и расчетом.

Пример осуществления способа

На установке проводились сравнительные исследования факелов пневматических форсунок типа «Г-2м» с закруткой и без закрутки распыляющего сжатого воздуха. Разбивая зону факела вдоль оси и в поперечном направлении на участки и соизмеряя скорость газового потока и капель жидкости в каждом из них, была визуализирована картина течений жидкости и газа. На фиг.2 представлена схема истечения струи с внутренней зоной разрежения из РУ - схема истечения воздушного потока из кольцевого зазора форсунки с закруткой сжатого воздуха. Воздух раскручивали с целью увеличения угла раскрытия факела и снижения его дальнобойности. Исследования показали, что при закрутке сжатого воздуха вблизи среза жидкостного сопла образуется область пониженного давления (зона I) с циркуляционными областями обратных токов (зона II). Пониженное давление в ней искривляет траекторию струи, которая быстро примыкает к оси симметрии. Размер области обратных токов не превышает 3 5 калибров жидкостного сопла. При распылении жидкости в закрученном потоке сжатого распыливающего воздуха (P=1 бар) были экспериментально замерены скорости капель и выявлены их существенные различия в разных частях факела форсунки, распределение которых приведено на фиг.3. Закрутка распыливающего воздуха способствует интенсивному расширению факела от среза сопла, увеличению угла раскрытия с 17 19° (прямой незакрученный поток) до 45 55° и быстрому затуханию скорости вдоль оси.

Полученная с помощью лазерной техники информация о скоростях движения капель распыляемой жидкости и полях скоростей всего факела становится еще одной важной характеристикой оценки эффективности конкретного РУ и путей совершенствования его конструкции, открывает возможность разработки новых РУ. Так, например, при работе топливных форсунок различие скоростей движения капель одинакового размера в разных частях факела в два и более раз может привести к их неполному сгоранию, т.к. одновременно идут процессы интенсивного испарения и горения. Новые РУ должны разрабатываться не только с целью достижения монодисперсного распыла, но и с такими скоростями движения капель, которые обеспечат их максимально полное сгорание, учитывая объем и конструкцию камеры сгорания. Такой подход способен обеспечить наивысшую энергоэффективность и снизить расход жидкого топлива.

Таким образом, использование лазерной техники в исследовании факела позволило:

- оценить скорость движения капель (так для одной из пневматических форсунок эта скорость в различных частях факела менялась в интервале 70...120 м/сек);

- обнаружить зону обратных токов вблизи жидкостного сопла для закрученных потоков;

- увидеть зону нераспавшейся струи, где струя жидкости начинает распадаться на капли;

- обнаружить немонотонность распределения концентраций капель в поперечном сечении факела, причем эти концентрации в разных частях факела могут различаться на порядок.

Также в способе предложено использовать систему единиц измерений дисперсности (поли - или монодисперсности), обусловленную следующими парадигмами:

- как размер, среднеобъемные, медианно-массовые и другие «средние» диаметры капель не могут по определению быть системообразующими единицами измерений дисперсности, так как все они не являются количественной, физико-химической, энергетической, экономической мерой дисперсионно-способных жидкостных систем (ДЖС) и их невозможно инструментально измерить.

- как агрегатные состояния вещества любые ДЖС характеризуются микрообъемами капель и их числом (количеством) в зависимости от степени диспергирования этих микрообъемов в общем объеме ДЖС, а для нормирования сравнительного анализа - с приведением этого количества к единице площади;

- в физико-математическом смысле полидисперсность - квадратичное отклонение объемов капель от монодисперсного. Это отклонение (практический разброс капель по их числу (количеству), размерам и объемам в зависимости от степени диспергирования объемов) следует называть коэффициентом поли- или монодисперсности, математически равным корню квадратному из дисперсности.

В качестве основной системной единицы дисперсности принимается дисперсный кубический микрон с размерностью мкм³ - микрообъем шара (сферы) капли в соответствии с классической формулой объема шара: Q=0,524·D ³, где D - диаметр диспергированной капли в мкм. Внесистемные единицы объема дисперсности: 1 л=10¹⁵ мкм³ ; 1 мл=10¹² мкм³.

В примере реализации способа в таблице и на фиг.4 представлены результаты измерения зарегистрированных на предлагаемой установке данных и оценки параметров факела распыла дисперсионно-способной технологической жидкости.

Таблица
Клас- совый промежу- ток (по ОСТ 10.6.1-2000)	Диапазон диаметров капель класса, мкм	Средний диаметр капель класса, мкм	Приведенное количество капель на единицу площади, шт/см2	Приведенный объем в классе, мкм3/см2	%-доля жидкости, заключенной в каплях класса
1-3	14-41	28	303,60	3,3·10 6	0,32
3-5	42-69	56	239,30	20,2·10 6	2,13
5-7	70-97	84	121,40	34,4·10 6	3,40
7-9	98-125	112	60,71	41,0·10 6	4,13
9-11	126-153	140	41,67	55,4·10 6	5,52
11-13	154-181	168	41,67	95,2·10 6	9,60
13-15	182-209	196	23,81	86,7·10 6	8,70
15-17	210-237	224	19,44	107,0·106	10,60
17-19	238-265	252	11,61	85,0·106	9,00
19-21	266-293	280	6,55	69,2·106	7,00
21-23	294-321	308	4,17	58,8·106	5,80
23-25	322-349	336	3,21	58,6·106	5,80
25-27	350-377	364	2,14	50,0·106	5,03
27-29	378-405	392	1,67	48,5·106	4,87
29-31	406-433	420	1,19	29,0·106	4,30
31-33	434-461	448	0,83	36,2·106	3,62
33-35	462-489	476	0,65	33,8·106	3,42
35-37	490-517	504	0,48	29,6·106	2,95
37-39	518-545	532	0,30	21,8·106	2,20
39-41	546-573	560	0,12	10,2·106	1,01
41-43	574-601	588	0,06	5,6·106	0,60
Сумма	-	-	-	979,5·106	100

По приведенным на единицу площади (1 см² ) интегральным (аддитивным) объемам (объем капель на их кол-во на ед. площади) и классическим формулам выборочных характеристик среднеквадратичное отклонение (квадратный корень из дисперсии), принимаемое как коэффициент поли- или монодисперсности, оказалось равным 2,87.

По другим авторским формулам и производным единицам дисперсности оценки коэффициента поли- или монодисперсности величина коэффициента поли- или монодисперсности также оказывается достаточно близкой к величине, полученной по классическим формулам, а именно равной 2,98. Этот результат был получен в результате обработки данных таблицы с помощью следующих авторских формул и единиц дисперсности.

Единица степени диспергирования микрообъемов жидкости - геометрический (общий) коэффициент поли - или монодисперсности ДЖС K_п/м по формуле:

где:

- K₁,_прив - квадратичное отклонение приведенных диаметров капель от монодисперсного:

K₂,_объем - квадратичное отклонение микрообъемов капель и числа (количества) капель, содержащихся в аддитивном (интегральном) микрообъеме, от монодисперсного:

Установленные единицы измерений дают основание сформулировать когерентную систему уравнений связи: систему измерений дисперсности в соответствии с законом сохранения массы вещества и канонами международной системы единиц.

Примечание: 90% (max) и 10% (min) - распределение объемов жидкости, содержащейся в соответствующих накопленных интегральных объемах капель (по ОСТ 10.6.1-2000).

Расчетные результаты данных таблицы по вышеприведенным авторским формулам были получены следующие:

K_1,прив=3,44

K_2,объем =2,59

К_п/м=2,98

По опыту практической работы авторов нахождение величины К_п/м в диапазоне 1 2 означает близкое к монодисперсному состояние капель, в диапазоне 2 5 - пограничное состояние между моно- и полидисперсным, >5 - полидисперсное состояние исследуемой части факела. При этом надо стремиться к исключительно монодисперсному состоянию ДЖС.

Предлагаемый способ дает конструктору и испытателю возможность на основе анализа полидисперсности получить заданную степень диспергирования жидкостей на выходе из РУ при расчетах, конструировании, стендовых испытаниях и внедрении энергетических характеристик, например:

- скорости истечения потока капель в единицу времени (м/сек);

- осаждения микрообъемов капель и их числа (количества) на единицу площади (л/га; мл/см²; мкм³/см²);

- распределения микрообъемов капель и их числа (количества) по рабочему объему камеры сгорания (мкм³/объем к.с.)