СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА Российский патент 1995 года по МПК F23K5/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах, потребляющих жидкое топливо.

Известна система подачи жидкого топлива, содержащая топливный бак с топливоподводящим трубопроводом, размещенным в нижней части бака, заборным патрубком и последовательно подключенными к нему насосом и форсункой, на конце топливоподводящего трубопровода установлено сопло, расположенное напротив заборного патрубка [1]
Недостатком известной системы является ограниченность ее применения из-за необходимости наличия постоянно функционирующего топливоподводящего трубопровода. Возвратный топливоподводящий трубопровод не во всех случаях способен обеспечить поступление топлива в требуемом количестве и, кроме того, он часто используется для обогрева бака, что связано с определенными трудностями.

Кроме того, известна система подачи жидкого топлива, являющаяся наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемой, содержащая расходный бак, в котором заборные патрубки подключены к топливному трубопроводу через горизонтальный коллектор, а входные концы их направлены вверх и расположены на разной высоте. К топливному трубопроводу последовательно подсоединены насос, диспергатор и форсунка [2]
Недостатком указанной системы является ее низкая надежность, так как при использовании сильно обводненного топлива вода может располагаться в нижней части расходного бака, а ее уровень быть выше входных концов всех заборных патрубков. В данном случае в горизонтальный коллектор будет поступать вода без топлива, в результате чего произойдет срыв работы форсунок. Кроме того, объем топлива в расходном баке, находящийся ниже заборных патрубков, превращается в "мертвый" запас, который невозможно откачать в систему подачи.

Целью изобретения является повышение надежности работы системы путем стабилизации подачи топлива.

Это достигается тем, что в баке дополнительно расположены поплавок и подвижная заборная труба с поперечным сечением произвольной формы, одним концом прикрепленная к поплавку, а другим к расположенному в нижней части топливного бака концу заборного трубопровода, причем на боковой поверхности заборной трубы выполнены сквозные отверстия.

Соединение подвижной заборной трубы с концом заборного трубопровода может быть выполнено шарнирным или гибким, прикрепленный к поплавку конец подвижной заборной трубы с возможностью его открытия или закрытия.

Длина l заборной трубы и расстояние L между верхним и нижним предельными уровнями бака связаны неравенством l≥L, причем L a-b.

Подвижная заборная труба может быть выполнена с переменной площадью поперечного сечения.

При этом площадь поперечного сечения заборной трубы в месте прикрепления к поплавку меньше, чем в месте присоединения к заборному трубопроводу. Кроме того, подвижная заборная труба образована из двух или более последовательно соединенных друг с другом труб, причем трубы выполнены с различной площадью поперечного сечения, но каждая из них выполнена с постоянной площадью поперечного сечения. При этом труба, имеющая наименьшую площадь поперечного сечения, прикреплена к поплавку, а труба, имеющая наибольшую площадь поперечного сечения, присоединена к концу заборного трубопровода.

Поставленная цель достигается также и тем, что выполнено соотношение
≥ (1) где S площадь наибольшего поперечного сечения трубы;
Р периметр наибольшего поперечного сечения трубы;
μ- динамическая вязкость топлива в наиболее прогретом месте бака;
h расстояние между двумя наиболее близкими отверстиями в трубе;
j объемный расход жидкости через систему подачи топлива;
ΔР допустимый перепад давления на заборном устройстве.

ΔР Р_атм + ρgH-P_сопр-P_s, (2) где Р_атм атмосферное давление;
ρ- плотность топлива;
g ускорение свободного падения;
Н разница между нижним предельным уровнем бака и уровнем расположения входного патрубка насоса;
Р_сопр гидравлическое сопротивление заборного трубопровода при объемном расходе j;
P_s давление кипения жидкого топлива при имеющейся в наименее прогретом месте бака температуре.

Отношение расстояния между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями или расстояния между наиболее удаленным от конца трубы отверстием и открытым концом трубы к расстоянию между верхним и нижним предельными уровнями бака равно не менее минимально возможной объемной доли воды в топливно-водяной смеси в баке.

Расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями или расстояние между наиболее удаленным от конца трубы отверстием и открытым концом труба равно не менее 0,04 расстояния между верхним и нижним предельными уровнями бака.

Кроме того, отверстия, выполненные по длине поворотной заборной трубы, имеют различную площадь поперечного сечения.

Площадь поперечного сечения отверстия, находящегося ближе к поплавку, больше площади поперечного сечения более удаленного от поплавка отверстия.

Отверстия с одинаковой площадью поперечного сечения распределены по длине подвижной заборной трубы с одинаковым шагом, отверстия, выполненные по длине подвижной заборной трубы, имеют эллипсовидную или круглую форму, а отверстия, выполненные по длине подвижной заборной трубы, имеют щелевидную форму.

Кроме того, выполнено соотношение
P¹≅ (3) где P' периметр отверстия, наиболее близкого к концу заборного трубопровода;
ν- кинематическая вязкость топлива в наиболее прогретом месте бака.

Отверстия снабжены защитными решетками.

Выполнено соотношение
≥ (4) где суммарная площадь отверстий и расположенного возле поплавка открытого конца трубы.

Выполнено также соотношение
≅ 2,8 (5) где ν- кинематическая вязкость воды в наиболее прогретом месте бака;
S^*- площадь наименьшего отверстия.

Кроме того, поворотная заборная труба жестко присоединена к перпендикулярному отрезку трубы, один конец которого закрыт, а другой сопряжен с концом заборного трубопровода через соединение, допускающее его вращение, причем оба конца отрезка трубы соединены с неподвижными частями бака соединением, предотвращающим их перемещение в плоскости, перпендикулярной этому отрезку трубы.

Система дополнительно содержит диспергатор, подключенный к трубопроводу до или после насоса.

Поплавок скреплен с верхней частью бака гибким элементом. В варианте исполнения свободный конец гибкого элемента выведен за пределы бака.

На фиг.1 изображена система подготовки и подачи жидкого топлива; на фиг. 2 разрез поворотной трубы и узла ее сопряжения с заборным трубопроводом.

Система содержит бак 1, подключенный к нижней части бака 1 заборный трубопровод 2, подключенные к трубопроводу 2 в произвольном порядке диспергатор 3 и насос 4 и подключенную к ним форсунку 5. В баке 1 расположена подвижная заборная труба 6, одним концом прикрепленная к поплавку 7, а другим присоединенная к расположенному в нижней части топливного бака 1 концу заборного трубопровода 2 посредством шарнирного или гибкого соединения. По длине трубы 6 выполнены отверстия 8. Узел сопряжения заборной трубы 6 с заборным трубопроводом 2 состоит из перпендикулярно расположенного относительно трубы 6 отрезка трубы 9, один конец которого закрыт, а другой связан через соединение, допускающее его вращение, с концом заборного трубопровода 2. При работе системы топливо и вода, которые могут располагаться слоями в баке 1, через отверстия 8 поступают в заборную трубу 6, где и происходит их смешение. Грубая топливно-водяная смесь насосом 4 подается в диспергатор 3, а образовавшаяся в последнем топливно-водяная эмульсия на форсунку 5. При изменении уровня жидкости в баке 1 заборная труба 6 изменяет свое положение при посредстве поплавка 7 и таким образом постоянно находится в погруженном состоянии. Для того, чтобы падение давления по длине заборной трубы 6 было небольшим, она должна иметь достаточно большой гидравлический диаметр. Чтобы не было забора с одного, пусть даже самого верхнего уровня, конец заборной трубы 6 можно закрыть.

В процессе эксплуатации может случится так, что отверстия 8 в заборной трубе 6 засоряются. Их прочистка при заполненном баке 1 связана с определенными трудностями. Для предотвращения простоя предлагается конец заборной трубы 6 выполнить с возможностью открывания. Систему подачи жидкого топлива можно эксплуатировать и с открытым концом заборной трубы 6 (однако цель изобретения при этом не будет достигаться) до тех пор, пока не появится возможность прочистки отверстий.

Для того, чтобы жидкость забиралась со всех уровней бака 1 равномерно (это не обязательно, но желательное условие работы), заборная труба 6 должна быть достаточно длинной, т.е. ее длина должна составлять не менее расстояния между верхним и нижним предельными уровнями бака 1.

В резервуаре большой емкости заборная труба 6 должна быть достаточно длинной, а значит и тяжелой. Для того, чтобы сделать конструкцию менее металлоемкой предлагается различные участки заборной трубы 6 выполнить разного поперечного сечения.

При ламинарном режиме течения жидкости (а именно такой режим будет осуществляться в заборной трубе 6) падение давления на длине трубы 6 составляет
ΔP · (6) где l длина трубы;
D 4S/P ее гидравлический диаметр;
S площадь поперечного сечения трубы;
Р периметр трубы;
ϕ- коэффициент, учитывающий геометрическую форму канала (для круглой трубы ϕ= 1, для плоского канала ϕ= 1,5);
v средняя по сечению скорость жидкости;
Re критерий Рейнольдса;
ν- кинематическая вязкость
или
ΔP 32ϕμ где i объемный расход жидкости через трубу;
μ- динамическая вязкость жидкости.

Пусть в заборной трубе 6 имеются всего два отверстия 8. Расстояние между ними h. Пусть в дальнее от заборного трубопровода 2 отверстие 8 входит поток жидкости i j/2, где j объемный расход жидкости через систему подачи топлива. Падение давления на участке заборной трубы 6 длины h не должно превосходить допустимого перепада давления ΔР на заборном устройстве
ΔP ≥ 16ϕμ или, учитывая, что ϕ≥1, а D 4S/P
≥
При идеальном отстаивании воды в полном баке 1 отношение толщины слоя последней к расстоянию между верхним и нижним предельными уровнями бака 1 будет равно объемной доли воды в баке. Поэтому отношение расстояния между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями 8 или расстояние между наиболее удаленным от конца трубы 6 отверстием 8 и открытым концом трубы 6 должно составлять не менее объемной доли воды в водотопливной смеси в баке.

При сливе мазута из цистерн с разогревом "открытым" паром происходит его обводнение до 4-10% а при разогреве высоковязких мазутов в зимнее время до 15-20%
Поэтому расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями 8 или расстояние между наиболее удаленным от конца трубы 6 отверстием 8 и открытым концом трубы 6 должно составлять не менее одной двадцать пятой (1/25 соответствует обводнению на 4%) расстояния между верхним и нижним предельными уровнями бака 1.

Как известно, перепад давления на любом гидравлическом сопротивлении можно представить как
ΔP ζ (7) где ζ- коэффициент гидродинамического (местного) сопротивления (является в общем случае функцией формы, v, ρ иν );
ρ- плотность жидкости;
V ее средняя скорость через выбранное (согласованное с ζ) сечение.

Коэффициент гидродинамического сопротивления ζ в широком диапазоне чисел Рейнольдса может быть представлен как
ζ= ζ₁ + ζ₂ (8) где ζ₁- коэффциент местного сопротивления при ламинарном режиме (малые числа Re);
ζ₂- коэффициент местного сопротивления при большом Re (автомодельный режим).

По формуле Вюста (для круглого отверстия в тонкой стенке)
ζ₁= где Re,
v средняя скорость в отверстии;
d диаметр отверстия.

Известно, что ζ₂= 2,8.

В результате
ζ + 2,8 (9)
Обозначим Re_пр такое Re, при котором ζ₁ ζ₂. Из формулы (9) Re_пр= 9, или Re_пр= , т.е.

P_пр= где S_пр площадь отверстия 8, при котором ζ₁ ζ₂
Р_пр его периметр;
i объемный поток жидкости через отверстие 8.

Для того, чтобы поступление воды и топлива в заборный трубопровод 2 было пропорционально их содержанию в баке 1, скорость течения жидкости через отверстия 8 не должна зависеть от вязкости последней, т.е. должен наблюдаться автомодельный режим течения. Для этого необходимо, чтобы ζ₂ > ζ₁ или Re > 9, или P_пр≅ (считается, что весь поток i проходит через одно отверстие). Во время эксплуатации в бак 1 может случайно попасть какой-либо мусор. Чтобы этот мусор не закупорил отверстия 8 в заборной трубе 6, предлагается снабдить их защитными решетками 10.

Коэффициент гидравлического сопротивления для входа из бака 1 в трубу 6, заделанную заподлицо со стенками, равен 1/2, т.е.

ΔP или S_откр= где S_откр площадь открытого конца трубы;
i поток через открытый конец трубы.

Так как коэффициент гидравлического сопротивления для отверстия в плоской стенке превосходит 1/2 (он равен 2,8), то последнюю формулу можно записать в виде неравенства
≥ где под следует понимать суммарную площадь отверстий 8 и открытого конца трубы 6 около поплавка 7, а под j-объемный расход жидкости через систему подачи топлива.

Так как для отверстия 8 в трубе 6 Re > 9 (это сделано для того, чтобы получить автомодельный режим течения), то вместо формулы (9) можно записать
ζ≈ζ₂= 2,8 (10)
Из (7) перепад давления на отверстии
ΔP_отв= 2,8 2,8 где i объемный расход жидкости через систему подачи топлива (считается, что вся жидкость проходит через одно отверстие);
S* площадь отверстия.

Пусть в заборной трубе 6 имеются всего два отверстия 8 с расстоянием h между ними, в дальнее от заборного трубопровода 2 отверстие 8 входит поток жидкости i. Тогда падение давления на трубе 6 составит
ΔP_трубы= 16 νρ h 16 νρ P²hνρ
Это падение давления должно быть не больше падения давления на отверстии 8, так как сопротивление течению в трубе 6 зависит от вязкости жидкости, а мы хотим получить автомодельный режим
ΔР_трубы≅ΔР_отв
≅ 2,8
Как известно, диспергатор 3 улучшает качество сжигания водотопливной смеси. Именно поэтому его целесообразно использовать с заборной трубой 6 совместно.

В процессе эксплуатации может потребоваться либо прочистка отверстий 8 в заборной трубе 6, либо ремонт поплавка 7 (например, в случае его разгерметизации). Для этого предлагается прикрепить к поплавку 7 гибкий элемент (например, трос 11), за который его можно будет вытащить для проведения ремонта или осмотра.

Использование: в устройствах, потребляющих жидкое топливо. Сущность изобретения: система содержит бак 1, подключенный к нижней части бака 1 заборный трубопровод 2, подключенные к трубопроводу 2 в произвольном порядке диспергатор 3 и насос 4, и подключенную к ним форсунку 5. В баке 1 расположена подвижная заборная труба 6, одним концом прикрепленная к поплавку 7, а другим присоединенная к расположенному в нижней части топливного бака 1 концу заборного трубопровода 2 посредством соединения, допускающего поворот трубы 6. По длине трубы 6 выполнены отверстия 8. Узел сопряжения заборной трубы 6 с заборным трубопроводом 2 состоит из перпендикулярно расположенного относительно трубы 6 отрезка трубы, один конец которого закрыт, а другой связан через соединение, допускающее его вращение, с концом заборного трубопровода 2. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА, содержащая топливный бак и последовательно подключенные к нему заборный трубопровод, насос и форсунку, отличающаяся тем, что в баке дополнительно расположены поплавок и подвижная заборная труба с поперечным сечением произвольной формы, одним концом прикрепленная к поплавку, а другим к расположенному в нижней части топливного бака концу заборного трубопровода, причем на боковой поверхности заборной трубы выполнены сквозные отверстия. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что соединение подвижной заборной трубы с концом заборного трубопровода выполнено шарнирным или гибким. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что прикрепленный к поплавку конец подвижной заборной трубы выполнен с возможностью его открытия или закрытия. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что длина l заборной трубы и расстояние L между верхним и нижним предельными уровнями бака связаны неравенством
l ≥ L,
причем L a b,
где a 0,8 высоты бака;
b расстояние между днищем бака и местом соединения заборной трубы с концом заборного трубопровода. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что подвижная заборная труба выполнена с переменной площадью поперечного сечения. 6. Система по пп.1 и 5, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения заборной трубы в месте прикрепления к поплавку меньше, чем в месте присоединения к заборному трубопроводу. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения массы, подвижная заборная труба образована из двух или более последовательно соединенных одна с другой труб, причем упомянутые трубы выполнены с различной площадью поперечного сечения, но каждая из них выполнена с постоянной площадью поперечного сечения. 8. Система по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что труба, имеющая наименьшую площадь поперечного сечения, прикреплена к поплавку, а труба, имеющая наибольшую площадь поперечного сечения, присоединена к концу заборного трубопровода. 9. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнено соотношение

где s площадь наибольшего поперечного сечения трубы;
p периметр наибольшего поперечного сечения трубы;
μ динамическая вязкость топлива в наиболее прогретом месте бака;
h расстояние между двумя наиболее близкими отверстиями в трубе;
j объемный расход жидкости через систему подачи топлива;
DP допустимый перепад давления на заборном устройстве,
ΔP = P_атм+ρgH-P_сопр-P_S,
где P_атм атмосферное давление;
ρ плотность топлива;
q ускорение свободного падения;
H разница между нижним предельным уровнем бака и уровнем расположения входного патрубка насоса;
P_сопр гидравлическое сопротивление заборного трубопровода при объемном расходе j;
P_s давление кипения жидкого топлива при имеющейся в наименее прогретом месте бака температуре. 10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что отношение расстояния между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями или расстояние между прикрепленным к поплавку открытым концом трубы и наиболее удаленным от упомянутого конца отверстием к расстоянию между верхним и нижним предельными уровнями бака равно не менее минимально возможной объемной доли воды в топливо-водяной смеси в баке. 11. Система по п.1, отличающаяся тем, что при выборе в качестве топлива мазута расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга отверстиями или расстояние между прикрепленным к поплавку открытым концом трубы и наиболее удаленным от упомянутого конца отверстием равно не мене 0,04 расстояния между верхним и нижним предельными уровнями бака. 12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия, выполненные по длине подвижной запорной трубы, имеют различную площадь поперечного сечения. 13. Система по пп. 1 и 12, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения отверстия, находящегося ближе к поплавку, больше площади поперечного сечения более удаленного от поплавка отверстия. 14. Система по п.1, отличающаяся тем, что отверстия с одинаковой площадью поперечного сечения распределены по длине подвижной заборной трубы с одинаковым шагом. 15. Система по п.1, отличающаяся тем, что отверстия, выполненные по длине подвижной заборной трубы, имеют эллипсовидную или круглую форму. 16. Система по п.1, отличающаяся тем, что отверстия, выполненные по длине подвижной заборной трубы, имеют шелевидную форму. 17. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнено соотношение

где p′ периметр отверстия, наиболее близкого к концу заборного трубопровода;
ν кинематическая вязкость топлива в наиболее прогретом месте бака. 18. Система по п.1, отличающаяся тем, что отверстия снабжены защитными решетками. 19. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнено соотношение

где суммарная площадь отверстий и расположенного возле поплавка открытого конца трубы. 20. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнено соотношение:

где кинематическая вязкость воды в наиболее прогретом месте бака;
s^* площадь поперечного сечения наименьшего отверстия. 21. Система по п. 1, отличающаяся тем, что подвижная заборная труба жестко присоединена к перпендикулярному отрезку трубы, один конец которого закрыт, а другой сопряжен с концом заборного трубопровода через соединение, допускающее его вращение, причем оба конца отрезка трубы соединены с неподвижными частями бака соединением, предотвращающим их перемещение в плоскости перпендикулярной к этому отрезку. 22. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит диспергатор, подключенный к трубопроводу до или после насоса. 23. Система по п.1, отличающаяся тем, что поплавок скреплен с верхней частью бака гибким элементом. 24. Система по п.1, отличающаяся тем, что свободный конец гибкого элемента выведен за пределы бака.