ДИСПЕРГАТОР Российский патент 2004 года по МПК B01F5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетике, в частности к котельной технике, и может быть использовано при разработке и изготовлении диспергаторов, предназначенных для подготовки к сжиганию различных топливных смесей (получения эмульсий топливных смесей), в частности мазута, содержащего воду.

Уровень техники

Известен гидродинамический диспергатор /1/, содержащий корпус с каналом для движения топливной смеси, сопло для подачи топливной смеси в канал и подвижную в осевом направлении, вибрирующую в поперечном направлении перегородку, острой кромкой направленную к соплу, разделяющую поток топливной смеси на два потока.

С существенными признаками заявленного изобретения совпадают следующие признаки аналога: диспергатор, содержащий корпус с каналом для движения топливной смеси.

Недостатками гидродинамического диспергатора являются:

а) относительно большие габариты и материалоемкость. В качестве устройства, вызывающего кавитацию при обтекании его топливной смесью, применяется подвижная, вибрирующая перегородка, выполненная в виде консольно закрепленной пластины. Устройство, обеспечивающее крепление перегородки в корпусе и передвижение ее в осевом направлении, занимает в гидродинамическом диспергаторе достаточно большой объем, а масса этого устройства соизмерима с массой корпуса диспергатора;

б) большая неравномерность диспергирования в поперечном сечении потока топливной смеси. Качественное диспергирование осуществляется только вблизи острой кромки перегородки. Поток топливной смеси, проходящий вдали от перегородки, не подвергается диспергированию.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является диспергатор, содержащий корпус с каналом для движения топливной смеси, и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью /2/. Канал для движения топливной смеси выполнен в виде нескольких соединенных друг с другом (с помощью гибов) под углом 90° цилиндрических участков, а в качестве устройств, вызывающих кавитацию при обтекании их топливной смесью, применены цилиндрические стержни, установленные поперек цилиндрических участков канала (потоку топливной смеси).

С существенными признаками заявленного изобретения совпадают следующие признаки прототипа: диспергатор, содержащий корпус с каналом для движения топливной смеси, и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью.

Недостатками прототипа являются:

а) относительно большие габариты и материалоемкость. В качестве устройств, вызывающих кавитацию при обтекании их топливной смесью, применяются цилиндрические стержни, установленные поперек цилиндрических участков канала. Стержни расположены скрещенно-последовательно в поперечных сечениях по длине канала. Причем стержни располагаются друг за другом на расстояниях 6.25 мм и 12.5 мм. Для повышения качества диспергирования требуется увеличение числа стержней, что приводит к увеличению габаритов и массы (материалоемкости) диспергатора;

б) большая неравномерность диспергирования в поперечном сечении потока топливной смеси. Качественное диспергирование осуществляется только вблизи поверхности стержней в зоне разряжения. Поток топливной смеси, проходящий вдали от стержней, не подвергается диспергированию;

в) малый срок службы корпуса диспергатора за счет того, что все стержни закреплены на корпусе, а во время работы диспергатора в потоке топливной смеси за стержнями образуются зоны кавитации. В этих зонах происходят сложные гидродинамические процессы, связанные с образованием и схлопыванием пузырьков газа. При схлопывании пузырьков газа в топливной смеси появляются ударные волны, которые воздействуют на прилегающие элементы конструкции, разрушают их поверхностный слой, в частности разрушают внутреннюю поверхность корпуса диспергатора, что приводит к ослаблению конструкции корпуса и диспергатора в целом.

Сущность изобретения

Заявленное изобретение направлено на решение следующей задачи: повышение качества диспергирования, надежности работы и технико-экономических показателей диспергатора.

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты: уменьшение габаритов и материалоемкости диспергатора, повышение равномерности диспергирования по поперечному сечению потока топливной смеси, увеличение долговечности корпуса диспергатора.

Указанные технические результаты достигаются тем, что диспергатор содержит корпус с каналом для движения топливной смеси и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, и в канале по меньшей мере на одном из его участков расположена по меньшей мере одна перегородка для разделения потока топливной смеси, и по меньшей мере часть устройств или все устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, закреплены на вышеупомянутой перегородке или закреплены на перегородках, если их более одной.

К трубопроводу диспергатор может крепиться посредством фланцев или ввариваться, образуя единый проточный канал.

От наиболее близкого аналога (прототипа) изобретение отличается следующей совокупностью признаков: в канале по меньшей мере на одном из его участков расположена по меньшей мере одна перегородка для разделения потока топливной смеси, и по меньшей мере часть устройств или все устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, закреплены на вышеупомянутой перегородке или закреплены на перегородках, если (в случае когда) их более одной. В прототипе устройства, вызывающие кавитацию, названы телами кавитации.

Кроме того, ниже в описании дано пояснение некоторым терминам. Так, под термином "канал" понимается полое пространства или полость, например, в виде трубы. Под термином "перегородка" понимается то, что отделяет одно от другого, является преградой между чем-либо, в частности между разделенными потоками топливной смеси.

Ниже приводятся признаки, характеризующие изобретение лишь в частных случаях его исполнения. Эти признаки в совокупности с существенными признаками изобретения обеспечат получение всех технических результатов изобретения, а также частных технических результатов.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью (в частности, водо-топливной смесью), выполнены в виде стержней, и стержни содержат резьбу для закрепления на перегородке и/или на корпусе канала, причем резьба расположена у одного из концов стержня на участке протяженностью 0,1:0,9 длины стержня. Наличие резьбы позволяет упростить процесс закрепления стержней на перегородках и корпусе. Кроме того, наличие резьбы на стержнях позволяет регулировать длину той части стержня, которая обтекается топливной смесью (находится под воздействием потока топливной смеси). В процессе эксплуатации диспергатора, во время его регламента резьбовое соединение стержней с корпусом и перегородками позволит оперативно заменять поврежденные стержни.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что по меньшей мере один из вышеупомянутых стержней в поперечном сечении выполнен в форме окружности или овала, а на его боковой поверхности, свободной от резьбы, нанесено рифление, в частности сетчатое рифление. Овальные и круглые формы поперечных сечений стержней позволяют обеспечить эффективный процесс диспергирования, причем в зависимости от требуемой формы зоны (области) кавитации за стержнем могут быть выбраны стержни с поперечным сечением в виде овала или в виде окружности. Выполнение поверхности стержня с рифлением позволит повысить эффективность диспергирования за счет участия в этом процессе кромок борозд рифления.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что по меньшей мере два стержня выполнены различными по длине, причем отношение максимальной длины одного стержня к минимальной длине другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1.01 до 100. Это позволит формировать сложную пространственную структуру диспергирования внутри канала в потоке топливной смеси. Кроме того, например, чередование длинных и коротких стержней на перегородке по ее длине или ширине позволит уйти от разрушительных резонансных явлений в процессе работы диспергатора.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что по меньшей мере два стержня выполнены с различными диаметрами поперечных сечений, проходящих на одинаковом расстоянии от концов стержней, у которых расположены резьбы, причем отношение максимального диаметра одного стержня к минимальному диаметру другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Чередование стержней с различными диаметрами, расположенных на перегородке по ее длине или ширине, позволит уйти от разрушительных резонансных явлений в процессе работы диспергатора. За стержнями с различными диаметрами будут образовываться различные по величине зоны кавитации с различными динамическими характеристиками, что и позволит эффективно бороться с разрушительными резонансами во время работы диспергатора.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что по меньшей мере один из вышеупомянутых стержней выполнен по длине с переменным поперечным сечением, причем отношение максимальной площади поперечного сечения стержня к минимальной площади поперечного сечения стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Это позволит формировать сложную пространственную динамическую структуру потока топливной смеси в процессе диспергирования, повысить эффективность перемешивания компонентов топливной смеси, например мазута и воды или мазута, воды и водяного пара, а также предотвратить разрушение поверхности проточного канала.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что в канале расположено 1:10 перегородок, причем при количестве перегородок более одной, по меньшей мере две перегородки расположены одна над другой, параллельно друг другу или под углом от 0,0001 до 1 рад друг к другу, и, кроме того, перегородки жестко закреплены в корпусе. Это позволит существенно уменьшить габариты диспергатора, в частности его длину, при неизменном количестве стержней. Размещение перегородок вдоль потока (параллельно оси потока) параллельно друг другу позволит организовать достаточно стабильное течение топливной смеси между перегородками, причем параметры потока между всеми перегородками будут практически идентичными. Закрепление перегородки или перегородок под углом к потоку позволит вносить требуемые возмущения в поток. Закрепление перегородок под углом друг к другу позволит создавать между перегородками зоны повышенного давления (при сужении потока) или зоны пониженного давления (при расширении потока).

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что канал для движения топливной смеси выполнен по длине с переменным проточным (проходным) сечением, причем отношение максимальной площади проточного сечения к минимальной площади проточного сечения принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Это позволит повысить эффективность диспергирования, уменьшить количество стержней, вызывающих кавитацию, и тем самым уменьшить гидравлическое сопротивление проточного канала диспергатора.

Перечень фигур чертежей

На Фиг.1 представлена схема диспергатора, в частности продольный разрез диспергатора, содержащего корпус 1, и устройства 2-6, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью.

На Фиг.2 представлено устройство, вызывающее кавитацию. Устройство выполнено в виде стержня с переменным поперечным сечением по длине стержня. Все поперечные сечения стержня, не проходящие через резьбу, выполнены в виде окружности. На боковой поверхности стержня, не занятой резьбой, нанесено сетчатое рифление 19.

На фиг.3 представлено устройство, вызывающее кавитацию. Устройство выполнено в виде стержня с переменным поперечным сечением по длине стержня. Все поперечные сечения стержня, не проходящие через резьбу, выполнены в виде овалов.

На фиг.4 представлен диспергатор, у которого канал для движения топливной смеси выполнен по длине с переменным проточным (проходным) сечением. Сечение 20 - большее проходное сечение, сечение 21 - меньшее проходное сечение.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Диспергатор содержит корпус 1 с каналом для движения топливной смеси 22 и устройства 2-6, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью. Устройства 2, 3, 4 и 6 закреплены на перегородках. Устройство 5 закреплено на корпусе канала. В срединном участке канала расположены перегородки 7-16, на которых закреплены устройства, вызывающие кавитацию. К трубопроводу диспергатор крепится посредством фланцев (крепится фланцами) 17 и 18. Устройства 2-6, вызывающие кавитацию, выполнены в виде стержней. Перегородки 7 и 8 закреплены в канале диспергатора параллельно друг другу и оси 23 канала 22. Перегородка 9 закреплена под углом 24 к перегородке 8. Перегородки 10-16 закреплены в канале параллельно друг другу под углом 25 к оси 23 канала 22.

Диспергатор работает следующим образом. Топливная смесь, в частности мазут и вода (водотопливная смесь), подается в диспергатор, например, со стороны фланца 18. Перемешивание мазута с водой и диспергирование топливной смеси происходят в процессе ее взаимодействия с устройствами, вызывающими кавитацию (стержнями), а именно в процессе обтекания топливной смесью этих стержней. Стержни, расположенные в канале для движения топливной смеси, сужают его проходное сечение. Двигаясь по каналу, топливная смесь обтекает стержни и при этом ее скорость увеличивается, а давление в потоке уменьшается. Уменьшение давления вызывает появление паровых пузырьков. В дальнейшем топливная смесь попадает в область повышенного давления (по течению в область за стержнями) и паровые пузырьки с силой охлопываются, обеспечивая при этом эффективное перемешивание смеси и ее диспергирование.

Согласно Закону Бернулли в любой жидкости (и в жидкой топливной смеси в том числе) энергия постоянна вдоль линии тока. При увеличении скорости движения жидкости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например огибающей стержень, ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация.

В случае жидкости, текущей по сужающемуся каналу (см. фиг.4), согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения канала (это в сечении 21 и в сечении 26, где расположены стержни), и там также возникает кавитация.

При обтекании стержня потоком топливной смеси местное давление у боковой поверхности стержня понижается до давления образования пара. На боковой поверхности стержня появляются (зарождаются) кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. При обтекании стержня через его торец пузыри концентрируются на торце стержня. Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах пониженного давления (ее называют вихревой кавитацией). Вихревая кавитация наблюдается позади стержня. Возможно одновременное возникновение всех вышеописанных типов кавитации.

Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей стержней, поверхностей перегородок и корпуса. В связи с чем в изобретении предлагается стержни крепить на перегородках, а также снабжать стержни резьбой для их оперативной замены. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными - от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации диспергатора до выхода его из строя. Кавитация на стержнях может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус диспергатора. Кавитационная вибрация диспергатора создает дискомфортные условия для людей, находящихся вблизи работающего диспергатора, а также приводит к выходу из строя системы топливоподачи, например, вследствие разрушения сварных швов, запорной арматуры и т.п. Снижение вибрации достигается применением в диспергаторе стержней различной длины, диаметра, формы в поперечном сечении, а также расположением под различными углами друг к другу перегородок. Эти меры позволяют “уйти” от резонанса (в том числе от разрушающего резонанса) и вибрации, что увеличивает срок службы диспергатора.

Кавитация увеличивает гидродинамическое сопротивление. В связи с этим целесообразно применение стержней с минимальным лобовым сопротивлением, а именно применение стержней круглой и овальной формы в поперечном сечении.

Стержни содержат резьбу для закрепления на перегородке или на корпусе канала, причем резьба расположена у одного из концов стержня на участке протяженностью 0,1:0,9 длины стержня. При использовании стержней длиной, например, 50 мм протяженность участка с резьбой может быть от 5 до 45 мм.

Стержни могут быть выполнены различными по длине, причем отношение максимальной длины одного стержня к минимальной длине другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1.01 до 100. Если длина одного стержня составляет величину 5 мм и он является наименьшим по длине, то длина наибольшего стержня может составлять величину от 5,05 до 500 мм. Применение таких стержней целесообразно в диспергаторе с диаметром канала 1,2 м, содержащем одну перегородку, проходящую по центру канала. Стержни закрепляются как на перегородке, так и на стенке канала.

Стержни могут быть выполнены с различными диаметрами поперечных сечений, проходящих на одинаковом расстоянии от концов стержней, у которых расположены резьбы, причем отношение максимального диаметра одного стержня к минимальному диаметру другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Если диаметр одного стержня составляет величину 5 мм и он является наименьшим по диаметру, то диаметр наибольшего стержня может составлять величину от 5,05 до 500 мм. Применение таких стержней целесообразно в диспергаторе с диаметром канала от 700 до 1500 мм.

Стержни могут выполняться по длине с переменным поперечным сечением, причем отношение максимальной площади поперечного сечения стержня к минимальной площади поперечного сечения стержня принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Например площадь поперечного сечения стержня по длине может изменяться в диапазоне от 1 до 1,1 мм² или в диапазоне от 1 до 100 мм². Поперечное сечение может увеличиваться в направлении от одного конца стержня к другому или изменяться периодически.

Диспергатор может быть выполнен таким образом, что канал для движения топливной смеси выполнен по длине с переменным проточным (проходным) сечением (см. фиг.4), причем отношение максимальной площади проточного сечения к минимальной площади проточного сечения принимает (имеет) значение из диапазона от 1,01 до 100. Если канал диспергатора выполнен в виде трубы, содержащей сужающуюся часть (выполнен в виде диффузора) с площадью проходного сечения 21, составляющей величину 10000 мм², то площадь проходного сечения 20 может иметь значение из диапазона от 10100 до 1000000 мм².

В канале диспергатора может быть расположено 1:10 перегородок, причем при количестве перегородок более одной по меньшей мере две перегородки расположены одна над другой, параллельно друг другу (например, перегородки 7 и 8), а также под углом от 0,0001 до 1 рад друг к другу. То есть углы 24 и 25 могут составлять величину от 0,0001 до 1 рад.

Таким образом, задача изобретения решена. При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты:

уменьшение габаритов и материалоемкости диспергатора, повышение равномерности диспергирования по поперечному сечению потока топливной смеси, увеличение долговечности корпуса диспергатора.

Литература

1. Полезная модель №26197 “Гидродинамический диспергатор”, опублик. 2002.11.20, кл. МПК B 01 F 11/02.

2. Патент РФ №2044960 “Устройство для подготовки к сжиганию обводненного мазута”, опублик. 1995.09.27, кл. МПК F 23 K 5/00.

Изобретение относится к диспергаторам, предназначенным для подготовки к сжиганию различных топливных смесей (получения эмульсий топливных смесей), в частности мазута, содержащего воду. Диспергатор содержит корпус с каналом для движения топливной смеси и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью. В канале на одном из его участков расположена перегородка для разделения потока топливной смеси. Устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, закреплены на перегородке или закреплены на перегородках, если их более одной. Технический результат состоит в повышении равномерности диспергирования по поперечному сечению потока, увеличении долговечности корпуса. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диспергатор, содержащий корпус с каналом для движения топливной смеси и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, отличающийся тем, что в канале расположена по меньшей мере одна перегородка для разделения потока топливной смеси, по меньшей мере часть устройств или все устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, закреплены на вышеупомянутой перегородке или закреплены на перегородках, если их более одной.2. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, выполнены в виде стержней и стержни содержат резьбу для закрепления на перегородке для разделения движущейся топливной смеси и/или на корпусе канала, причем резьба расположена у одного из концов стержня на участке протяженностью 0,1:0,9 длины стержня.3. Диспергатор по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из вышеупомянутых стержней в поперечном сечении выполнен в форме окружности или овала, а на его боковой поверхности, свободной от резьбы, нанесено рифление, в частности сетчатое рифление.4. Диспергатор по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере два стержня выполнены различными по длине, причем отношение максимальной длины одного стержня к минимальной длине другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона 1,01-100.5. Диспергатор по любому из пп.2 и 4, отличающийся тем, что по меньшей мере два стержня выполнены с различными диаметрами поперечных сечений, проходящих на одинаковом расстоянии от концов стержней, у которых расположены резьбы, причем отношение максимального диаметра одного стержня к минимальному диаметру другого стержня принимает (имеет) значение из диапазона 1,01-100.6. Диспергатор по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере один из вышеупомянутых стержней выполнен по длине с переменным поперечным сечением, причем отношение максимальной площади поперечного сечения стержня к минимальной площади поперечного сечения стержня принимает (имеет) значение из диапазона 1,01-100.7. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что в канале расположено 1:10 перегородок, причем при количестве перегородок более одной по меньшей мере две перегородки расположены одна над другой параллельно друг другу или под углом 0,0001-1 рад друг к другу и, кроме того, перегородки жестко закреплены в корпусе.8. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что канал для движения топливной смеси, в частности водотопливной смеси, выполнен по длине с переменным проточным (проходным) сечением, причем отношение максимальной площади проточного сечения к минимальной площади проточного сечения принимает (имеет) значение из диапазона 1,01-100.