УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА КАВИТАЦИЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F02M27/08 

Изобретение относится к системам топливоподачи энергетических установок, а именно к устройствам для обработки жидкого топлива, а более точно, к устройствам для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи. Устройство может быть использовано при подготовке жидкого топлива для энергетических установок. Наиболее успешно изобретение может быть использовано при подготовке тяжелых низкосортных видов топлива.

При использовании в энергетических установках тяжелых низкосортных видов топлива сгорание такого топлива из-за наличия в нем разнообразных примесей происходит не полностью. Это обусловливает относительно невысокую эффективность использования такого топлива, а также увеличивает количество вредных выбросов в атмосферу. Поэтому такое топливо нередко подвергают предварительной обработке для диспергирования и гомогенизации содержащихся в нем примесей.

Известен ультразвуковой гидродинамический излучатель [SU, A, 1532083] предназначенный для получения мелкодисперсных эмульсий. Излучатель содержит цилиндрический корпус, в стенках которого выполнены входные тангенциальные отверстия для образования вихревой камеры. Излучатель снабжен выходным соплом, расположенным коаксиально вихревой камере. Выходное сопло выполнено витым в направлении, совпадающем с направлением оси тангенциального отверстия в корпусе вихревой камеры. В крышке камеры, соосно выходному соплу, выполнено отверстие для установки пористого вкладыша.

При работе такого устройства жидкость поступает в вихревую камеру излучателя через входные тангенциальные отверстия и под воздействием центробежных сил образует в вихревой камере закрученный жидкостный вихревой поток. При этом в вихревой камере образуется зона разряжения. Под действием создавшегося перепада давления через пористый вкладыш всасывается газовоздушный компонент, который захватывается вращающейся с большой скоростью жидкостью, смешивается с ней и под действием возникающих в излучателе ультразвуковых колебаний интенсивно диспергируется. В выходном сопле происходит дополнительная закрутка газожидкостного потока и еще более интенсивное диспергирование жидкости.

Описанный гидродинамический излучатель позволяет проводить обработку жидкости в потоке. Он используется для интенсификации различных технологических процессов получения мелкодисперсных эмульсий, а также для пенообразования и газонасыщения жидкости.

Однако при использовании такого устройства для обработки высоковязких жидкостей, таких, как тяжелые низкосортные типы топлива, не достигается достаточно высокой степени гомогенизации и диспергирования жидкости. Это обусловлено тем, что возникающие в излучателе ультразвуковые колебания не обладают достаточно высокой амплитудой для успешной обработки таких жидкостей. Процессы диспергирования и гомогенизации высоковязких жидкостей наиболее успешно осуществляются под воздействием ультразвуковых колебаний, сопровождающихся кавитацией.

Известно устройство для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи [FR, A, 2612567] содержащее цилиндрический корпус с патрубками для подачи и отвода жидкого топлива в ультразвуковой струйный излучатель. Ультразвуковой струйный излучатель выполнен в виде двух коаксиально размещенных по отношению друг к другу спиралей Архимеда, лопасти которых ориентированы в противоположных направлениях. Одна из спиралей жестко прикреплена к основанию корпуса, а другая установлена с возможностью перемещения вдоль оси корпуса, причем лопасти одной спирали размещены между лопастями другой спирали так, что обращенные друг к другу поверхности лопастей спиралей образуют каналы для прохождения обрабатываемой жидкости.

При работе такого устройства внутрь корпуса через патрубок для подачи жидкости поступает подлежащее обработке топливо, проходит через каналы, образованные лопастями струйного излучателя, и через отверстие в основании корпуса поступает в выходной патрубок. Поток жидкости, проходящий через струйный излучатель, испытывает торможение на его лопастях. При этом возникают колебания давления, происходящие с ультразвуковой частотой. В локальных областях потока минимальное давление оказывается меньше давления насыщенных паров обрабатываемой жидкости и возникает явление кавитации, что обеспечивает высокое качество обработки топлива.

Это устройство позволяет проводить эффективную обработку жидкого топлива, в том числе низкосортных высоковязких его типов, при давлении на выходе из устройства, совпадающем с давлением топливоподачи системы, от 1 до 5 кгс/см². При более высоких значениях давления топливоподачи, что имеет место, например, при подаче его в котельных установках, создание условий для возникновения кавитации, а, значит, и для качественной обработки топлива, затруднено.

Авторами было установлено, что давление, при котором возникает кавитация в потоке жидкости в таком устройстве, зависит от перепада между давлением в потоке жидкости до струйного излучателя и давлением в потоке жидкости после струйного излучателя. При увеличении давления на выходе из устройства величина этого перепада резко возрастает. Так, при давлении топливоподачи 1.5 кгс/см² для возникновения кавитации необходимо, чтобы этот перепад составлял 3. 6 кгс/см², а при давлении топливоподачи 10.20 кгс/см² уже около 100 кгс/см². Очевидно, что для создания такого перепада давления, а, значит, и для качественной обработки топлива при относительно высоком давлении топливоподачи потребуются такие большие энергетические затраты, которые сведут на нет весь экономический эффект, полученный от обработки топлива.

В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи, которое между ультразвуковым струйным излучателем и патрубком для отвода жидкого топлива было бы выполнено таким образом, чтобы обеспечить кавитацию в потоке жидкости при увеличении давления на выводе из устройства с сохранением относительно небольшого перепада между давлением в потоке жидкости до ультразвукового струйного излучателя и давлением в потоке жидкости после указанного излучателя и тем самым уменьшить энергетические затраты при обработке жидкого топлива, а также повысить качество обработки топлива и тем самым уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу при его сжигании.

Поставленная задача решается тем, что устройство для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи, содержащее корпус с патрубками для подачи и отвода жидкого топлива, и ультразвуковой струйный излучатель для создания пульсаций давления в потоке жидкого топлива, в соответствии с изобретением снабжено камерой с переменным диаметром сечения, расположенной за струйным излучателем по ходу потока жидкого топлива, содержащей сужающуюся и расширяющуюся части, при этом минимальный диаметр камеры определяется соотношением
где
d_o минимальный диаметр камеры, м;
К= 5.10 расчетный коэффициент, учитывающий физические свойства жидкого топлива;
Q заранее заданный расход жидкого топлива, проходящего через систему топливоподачи, м³,c;
P₂ заранее заданная величина давления в потоке жидкого топлива на выходе из указанной камеры, Па;
P_c давление в потоке жидкого топлива, при котором при заданном перепаде между давлением в этом потоке перед струйным излучателем и давлением в этом потоке в сужающейся части камеры после струйного излучателя возникает кавитация в потоке топлива в расширяющейся части камеры, Па.

После прохождения потоков жидкого топлива через ультразвуковой излучатель в этом потоке, так же, как это имеет место в известном устройстве, описанном выше, возникают пульсации давления, происходящие с ультразвуковой частотой. При прохождении пульсирующим потоком сужающейся части камеры скорость потока возрастает, а среднее давление падает. Среднее давление в потоке достигает наименьшего значения в самой узкой части камеры, и при минимальных значениях пульсирующего давления в потоке возникают кавитационные полости. При прохождении потоком расширяющейся части камеры скорость этого потока замедляется, а давление возрастает. В результате кавитационные полости схлопываются и происходит гомогенизация и эмульгирование жидкого топлива.

Благодаря тому, что минимальный диаметр камеры определяется в соответствии с найденной авторами зависимостью, указанной выше и учитывающей физические свойства жидкого топлива, характеристики системы топливоподачи, а также найденную авторами зависимость между перепадом между давлением в потоке жидкого топлива до струйного излучателя и давлением в этом потоке после струйного излучателя в сужающейся части камеры и давлением в потоке, при котором возникает кавитация, последняя возникает при относительно небольшом значении указанного перепада и относительно большом значении давления на выходе из камеры.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает благодаря кавитации высококачественную обработку жидкого топлива, в том числе его низкосортных высоковязких типов и тем самым обеспечивает уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу. Благодаря тому, что кавитация возникает при относительно небольшом перепаде давления и относительно высоком давлении на выходе из устройства, предлагаемое устройство обеспечивает снижение эгнергозатрат при обработке жидкого топлива при относительно высоких значениях давления топливоподачи в системе.

Целесообразно для придания потоку жидкого топлива вращательного движения в патрубке подачи жидкого топлива установить винтовую вставку. Благодаря этой вставке подаваемая жидкость дополнительно перемешивается перед поступлением в ультразвуковой струйный излучатель, что еще больше повышает качество обработки топлива.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 - общий вид устройства, выполненного в соответствии с изобретением, в разрезе; на фиг. 2 поперечный разрез подвижной спирали струйного излучателя в увеличенном масштабе; фиг. 3 показывает камеру с переменным диаметром сечения, показанную на фиг. 1, в разрезе, в увеличенном масштабе; фиг. 4 - изображает зависимость между давлением, при котором возникает кавитация, и перепадом между давлением в потоке жидкости до струйного излучателя и давлением в потоке жидкости после струйного излучателя.

Как показано на фиг. 1, устройство для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи в соответствии с изобретением содержит цилиндрический корпус 1 с патрубком 2 для подачи жидкого топлива и патрубком 3 для его отвода. Патрубок 2 соединен с помощью гайки 4 с трубопроводом 5, сообщающимся с резервуаром для топлива (на фиг. не показан). В патрубке 2 установлена винтовая вставка 6. Коаксиально корпусу 1 установлен ультразвуковой струйный излучатель 7. Струйный излучатель 7 выполнен в виде двух спиралей Архимеда 7a и 7b, ориентированных вогнутыми сторонами одна к другой. При этом лопасти одной спирали 7a ориентированы в направлении, противоположном направлению лопастей спирали 7b. Спирали 7a и 7b установлены так, что лопасти одной спирали размещены между лопастями другой спирали и образуют каналы 7с прямоугольного сечения для прохождения обрабатываемого топлива. Одна из спиралей 7a расположена на основании 8. Поперечный разрез спирали 7a, размещенной на основании 8, изображен на фиг. 2. Основание 8 со спиралью 7a может перемещаться вдоль оси корпуса 1 (фиг. 1) по направляющим 9 с помощью регулировочной гайки 10 и втулки 11. Вторая спираль 7b размещена на крышке 12 корпуса 1 и закреплена неподвижно относительно корпуса 1 с помощью винтов 13. При перемещении спирали 7а относительно спирали 7b происходит изменение площади поперечного сечения каналов 7с. В крышке 12 выполнено отверстие для прохождения жидкого топлива.

Ультразвуковой струйный излучатель может быть выполнен и иначе, например так, как это описано в известном устройстве [SU, A, 1532083]
Устройство снабжено камерой 14 с переменным диаметром сечения, закрепленной, например, с помощью сварки на крышке корпуса 12 корпуса 1 так, что ось камеры 14 совпадает с осью струйного излучателя 7. Камера 14 имеет сужающуюся часть 14а, расширяющуюся часть 14b и минимальный диаметр d_o.

Минимальный диаметр d_o определяется в соответствии с предложенной авторами зависимостью. Для каждого струйного излучателя может быть построена зависимость давления, при котором возникает кавитация, от перепада между давлением в потоке до струйного излучателя и давлением в потоке после струйного излучателя. Зависимость для излучателя, используемого в предлагаемом устройстве, приведена на фиг. 4. По оси абсцисс отложены значения давления Р _с, при котором происходит кавитация, в мегапаскалях, а по оси ординат - соответствующие значения перепада между давлением до струйного излучателя и давлением после струйного излучателя
ΔP,
также в мегапаскалях.

Из фиг. 4 видно, что кривая вначале имеет относительно пологую часть, а затем круто поднимается. Более пологая часть кривой соответствует относительно небольшим значениям перепада давления
ΔP
и соответственно относительно небольшим значениям давления Р_с. Целесообразно выбирать значения давления Р_с из значений, соответствующих этой относительно пологой части кривой. При определении параметров описываемой конструкции авторы приняли величину давления Р_с, равной 0,2 МПа. Из графика на фиг. 4 видно, что при этом значении давления Р_с перепад Р между давлением в потоке струйного излучателя и давлением в потоке в сужающейся части камеры после струйного излучателя составляет 0,6 МПа. Относительно небольшие значения перепада давления соответствуют относительно небольшим затратам энергии и обуславливают экономичность и эффективность работы устройства. Авторами установлено, что показанная на фиг. 4 зависимость определяется в первую очередь видом излучателя и очень мало зависит от вида используемого топлива. Поэтому такую зависимость можно использовать при выборе характеристик такого устройства для обработки различных видов топлива.

Минимальный диаметр d_o камеры 14 зависит от характеристик обрабатываемого топлива. Характеристики топлива, а именно плотность, вязкость и другие, учитываются коэффициентом К, значение которого выбирается равным от 5 до 10 и рассчитывается известным в гидравлике способом. Проведенные авторами исследования и расчеты показали, что для более вязких видов топлива следует выбирать более высокие значения коэффициента К. Например, для мазута с вязкостью 600 сСТ при 20^oC K=10.

Минимальный диаметр d_о камеры 14 зависит также от заранее заданного расхода 0 жидкого топлива, проходящего через систему топливоподачи. Как уже упоминалось выше, спираль 7b струйного излучателя 7 может перемещаться вдоль его оси. При этом изменяется площадь поперечного сечения каналов 7с, что позволяет регулировать расход системы в некотором диапазоне. Каждая система имеет определенный диапазон расхода топлива. При расчете минимального диаметра d_o камеры 14 можно воспользоваться средним значением между минимальным и максимальным значениями расхода. Но использовать среднее значение расхода топлива можно только в том случае, если максимальное и минимальное значения расхода 0 отличаются друг от друга не более, чем на 100% В том случае, если расход может изменяться в процессе работы более, чем на 100% целесообразно использовать два устройства, работающих параллельно.

Минимальный диаметр d_o камеры 14 зависит также от величины заранее заданного давления Р₂ в потоке жидкого топлива на выходе из указанной камеры. Эта величина совпадает с давлением топливоподачи и задается в зависимости от давления, требуемого для работы конкретной энергетической установки.

Используя предлагаемую авторами зависимость, определяют минимальный диаметр d_o камеры 14.

Опытным путем авторами установлено, что область возникновения кавитации при выбранном давлении Р_с имеет некоторую протяженность. Поэтому камера 14 может иметь минимальный диаметр d_o, при котором обеспечивается возникновение кавитации при заданных характеристиках системы топливоподачи, на некотором расстоянии от выхода из струйного излучателя. Это позволяет выбрать форму стенок сужающейся части 14а камеры 14 так, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление. В описываемом устройстве продольный размер сужающейся части 14а камеры 14 был выбран таким, чтобы обеспечить радиус скругления стенок камеры 14, равным двум минимальным диаметрам d_o.

Продольный размер расширяющейся части 14b камеры 14 выбирается также из соображений наименьшего гидравлического сопротивления. Вместе с тем, выходной диаметр камеры 14 должен быть таким, чтобы обеспечить удобную стыковку с выходным патрубком 3. Из гидравлики известно, что наименьшее гидравлическое сопротивление будут иметь конические стенки, расходящиеся под углом, не превышающим 10^o. Из этих соображений и определен продольный размер расширяющейся части 14b камеры 14.

Устройство работает следующим образом. Поток жидкого топлива подается по трубопроводу 5 в патрубок 2 для подачи топлива, где, проходя через винтовую вставку 6,поток приобретает вращательное движение. Затем топливо поступает в цилиндрический корпус 1.

При прохождении через каналы 7с струйного излучателя 7 поток жидкого топлива становится вихревым, и в нем возникают колебания давления, совершающиеся с ультразвуковой частотой. Поток топлива проходит через отверстие в крышке 12 и поступает в камеру 14. При прохождении потока жидкого топлива через сужающуюся часть 14а камеры 14 давление в потоке топлива снижается. При прохождении потока топлива через самую узкую часть камеры с диаметром d_о давление достигает своего минимального значения. Причем, поскольку давление в потоке, как было упомянуто, меняется с ультразвуковой частотой, то при прохождении через узкую часть камеры 14 с минимальным диаметром d_о минимальное значение давления в локальных областях потока становится меньше давления насыщенных паров жидкости, в результате чего в потоке возникают кавитационные полости. Затем поток жидкого топлива проходит через расширяющуюся часть 14b камеры 14, в которой происходит его торможение. Давление постепенно возрастает и даже при минимальных значениях давления остается больше давления насыщенных паров. В результате парогазовые кавитационные полости схлопываются, а имеющиеся в топливе водяные и смолисто-асфальтовые частицы разбиваются, топливо эмульгируется и гомогенизируется.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высококачественную обработку топлива, в том числе его высоковязких низкосортных типов, при относительно высоком давлении топливоподачи и относительно небольшом перепаде между давлением в потоке до струйного излучателя и давлением в потоке после струйного излучателя в сужающейся части камеры. Этим обеспечивается экономия энергии, повышается эффективность сжигания обработанного топлива и тем самым улучшается экология окружающей среды.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: устройство содержит цилиндрический корпус 1 с патрубками 2, 3 подачи и удаления жидкого топлива. В патрубке 2 размещена винтовая вставка 6 для перемешивания топлива. В корпусе 1 размещен ультразвуковой струйный излучатель 7. Излучатель 7 выполнен в виде двух спиралей 7a, 7b Архимеда, лопасти которых имеют противоположные направления и расположены друг между другом. Устройство дополнительно снабжено камерой 14 переменного сечения, расположенной за струйным излучателем 7 по ходу потока жидкого топлива. Камера имеет сужающуюся и расширяющуюся части 14a, 14b. Минимальный диаметр d_o камеры 14 определяется соотношением:
,где
d_o - минимальный диметр камеры, м;
К= 5. ..10 - расчетный коэффициент, учитывающий физические свойства жидкого топлива;
Q - заранее заданный расход жидкого топлива, проходящий через систему топливоподачи, м³/с;
P₂ - заранее заданная величина давления в потоке жидкого топлива на выходе из указанной камеры, Па;
P_c - давление в потоке жидкого топлива, при котором при заданном перепаде между давлением в этом потоке перед струйным излучателем 7 и давлением в этом потоке в сужающейся части 14a камеры 14 после струйного излучателя 7 возникает кавитация в потоке топлива в расширяющейся части 14b камеры 14, Па. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обработки жидкого топлива кавитацией в системе топливоподачи, содержащее корпус с патрубками для подачи и отвода жидкого топлива и ультразвуковой струйный излучатель для создания пульсаций давления в потоке топлива, отличающееся тем, что устройство снабжено камерой с переменным диаметром сечения, расположенной за струйным излучателем по ходу потока жидкого топлива, содержащей сужающуюся и расширяющуюся части, при этом минимальный диаметр d₀ камеры определяется соотношением

где К 5 10 расчетный коэффициент, учитывающий физические свойства жидкого топлива;
Q заранее заданный расход жидкого топлива, проходящего через систему топливоподачи, м³/с;
Р₂ заранее заданная величина давления в потоке жидкого топлива на выходе из указанной камеры, Па;
Р_с давление в потоке жидкого топлива, при котором при заданном перепаде между давлением в этом потоке перед струйным излучателем и давлением в этом потоке в сужающейся части камеры после струйного излучателя возникает кавитация в потоке топлива в расширяющейся части камеры, Па. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в патрубке для подачи жидкого топлива установлена винтовая вставка.