УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ Российский патент 2011 года по МПК B01F5/08 

Устройство относится к струйной технике и может быть использовано в энергетической, судостроительной, машиностроительной промышленности и на транспорте для приготовления высококачественных водотопливных эмульсий.

Известен способ приготовления эмульсий с помощью трансзвукового устройства, содержащего сопло для подачи рабочей среды, средства для подачи эмульгируемых компонентов и камеру смешения (патент SU 1669519 А1, МПК⁵ B01F 5/04, А23С 11/00, публ. 1991). В этом устройстве в качестве рабочей среды используется пар, и недостатком, ограничивающим применение этого устройства, является уменьшенный диапазон соотношения рабочей и гомогенизируемой среды, так как пар, обладая высокой теплоемкостью, уже при содержании его в смеси более 10% приводит к значительному повышению температуры смеси и объемного содержания паровой (газовой) составляющей в смеси, в результате чего резко увеличивается скорость звука в смеси (уменьшается ее сжимаемость) перед скачком давления, что резко уменьшает интенсивность скачка давления и приводит к ухудшению качества получаемой эмульсии.

Известно также устройство для приготовления водотопливной эмульсии, содержащее камеру смешения, а также топливное и водяное сопла для подачи соответствующих сред в камеру смешения (патент RU 1761241 А1, МПК⁵ B01F 5/04, публ. 1992). Для устранения недостатка устройства по ранее указанному патенту путем обеспечения возможности расширения диапазона соотношения смешиваемых компонентов в этом устройстве было предложено в качестве рабочей среды для создания сверхзвукового потока использовать не пар, а холодную воду, из которой на выходе из водяного сопла выделялся растворенный в воде газ. При этом увеличение скорости смеси достигалось за счет увеличения давлений рабочей и гомогенизируемой среды на входе в устройство, что приводило, однако, к увеличению энергетических затрат (к необходимости увеличения мощности насосов), а снижение скорости звука в смеси достигалось выделением растворенного в воде и гомогенизируемой среде газа за счет снижения давления перед скачком ниже давления насыщения. Значение давления перед скачком при заданном давлении на входе в устройство зависит от объемного соотношения фаз перед скачком. Чем больше объем газовой составляющей, тем меньше давление перед скачком, больше скорость смеси, больше число Маха (больше сжимаемость) и тем более интенсивным является скачок давления (пропорциональный квадрату числа Маха). В результате повышается качество получаемой водотопливной эмульсии. Однако использование в известном устройстве холодной воды в качестве рабочей среды ограничивает объемное соотношение фаз диапазоном от 0,4 до 0,7, что сильно суживает диапазон используемых чисел Маха (1,67-1,83) и дает узкий диапазон и низкую интенсивность скачка давления (2,78-3,33). Между тем, при температуре воды 150°С число Маха может достигать 6, а интенсивность скачка давления возрастает более чем на порядок.

Целью настоящего изобретения является создание устройства для приготовления водотопливной эмульсии, которое обеспечило бы снижение энергетических затрат при одновременном улучшении качества эмульсии.

Указанная цель достигается тем, что согласно настоящему изобретению предложено устройство для приготовления водотопливной эмульсии, содержащее камеру смешения, топливное сопло для подачи топлива в камеру смешения и обеспечивающее вскипание воды водяное сопло для подачи водяной среды в камеру смешения, причем водяное сопло содержит входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки и расположено по продольной оси камеры смешения, а топливное сопло расположено соосно с водяным соплом и выполнено в виде кольца, охватывающего концевую часть водяного сопла.

Использование в настоящем изобретении указанных конструкций водяного и топливного сопел и их взаимное расположение обеспечивает более полное вскипание жидкости, приводящее в результате к улучшению качества (однородности) эмульсии при снижении энергетических затрат.

При этом наиболее оптимальной является такая форма водяного сопла, когда образующая начальной части расширяющегося участка водяного сопла имеет вогнутую по отношению к оси этого сопла форму кривой, плавно переходящей в критическом сечении этого сопла в выпуклую по отношению к оси сопла кривую. Выходное сечение топливного сопла может быть выполнено в виде отверстий, симметрично размещенных вокруг оси водяного сопла.

Обеспечение в настоящем изобретении более полного вскипания воды позволяет расширить диапазон объемного соотношения фаз в смеси и тем самым позволяет подавать рабочую среду (воду) и гомогенизируемую (эмульгируемую) среду (топливо) под меньшим давлением, что обеспечивает снижение энергетических затрат и повышает качество эмульсии.

В качестве жидкостного сопла, обеспечивающего вскипание жидкости, может быть использовано, например, сопло Лаваля или испарительное сопло, описанное в патенте SU 1268867 А1, МПК F22B 3/04, 1986. Однако наиболее оптимальной с точки зрения повышения эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию двухфазного газожидкостного потока среды является такая форма жидкостного сопла, когда образующая начальной части расширяющегося участка жидкостного сопла имеет вогнутую по отношению к оси этого сопла форму кривой, плавно переходящей в критическом сечении этого сопла в выпуклую по отношению к оси сопла кривую.

Устройство по настоящему изобретению поясняется приложенными чертежами.

На фиг.1 представлена схема устройства для приготовления водотопливной эмульсии по настоящему изобретению;

на фиг.2 - схема использования устройства для приготовления водотопливной эмульсии по настоящему изобретению при подаче приготовленной водотопливной эмульсии в тепловой котел.

Заявленное устройство для получения водотопливной эмульсии содержит установленные в корпусе 1 по общей продольной оси 2 цилиндрическую камеру 3 смешения, а также топливное сопло 4 (сопло для подачи топлива) и водяное сопло 5 (сопло для подачи вскипающей воды), подающие соответствующие среды в камеру 3.

Водяное сопло 5 содержит входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки 6 и 7 соответственно, между которыми расположено минимальное (наиболее узкое) сечение S_min сопла 5. Образующая начальной части расширяющегося участка 7 водяного сопла 5 имеет вогнутую по отношению к оси 2 форму кривой, плавно переходящей в критическом сечении S_cr этого сопла в выпуклую по отношению к оси 2 кривую. Другими словами, первая производная образующей начальной части расширяющегося участка сопла по длине последнего имеет отрицательное значение, в критическом сечении S_cr сопла эта производная равна нулю, а после критического сечения эта производная имеет положительное значение.

Термин "критическое сечение сопла" является широко применимым термином в струйной технике и обозначает сечение сопла, в котором локальная скорость газового потока достигает звуковой.

В ходе проведенных экспериментальных работ было установлено, что вышеописанная форма выполнения водяного сопла 5 обеспечивает возможность повышения эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию потока со вскипанием воды в проточной части сопла по сравнению с известным соплом Лаваля. Используемое в настоящем изобретении водяное сопло 5 в отличие от сопла Лаваля характеризуется следующим:

- дозвуковым водяное сопло 5 является не только в его сужающемся участке 6, но и в некоторой части расширяющегося участка 7;

- в минимальном сечении S_min сопла 5 устанавливается максимальный удельный расход среды, но сечение это не является критическим;

- критическое сечение S_cr, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, смещается в сопле 5 вниз по потоку и находится в расширяющемся участке 7 сопла;

- в этом критическом сечении S_cr не первая, а вторая производная от площади сечения по длине сопла 5 равна нулю; таким образом, в критическом сечении S_cr зависимость площади сопла 5 от его длины имеет не минимум, как это имеет место в сопле Лаваля, а точку перегиба этой зависимости.

Как видно из фиг.1, топливное сопло 4 выполнено в виде кольца, охватывающего концевую часть водяного сопла 5.

Из фиг.1 также видно, что сумма площадей выходных сечений сопел 4 и 5 составляет площадь входного сечения цилиндрической камеры 3 смешения. Если площадь выходного сечения топливного сопла 4 обозначить через f, а площадь входного сечения камеры 3 - через F, то площадь выходного сечения водяного сопла 5 составит F-f. Длина камеры 3 смешения равна или более шести ее диаметров. Объемное соотношение фаз β на входе в камеру 3 смешения составляет:

.

Таким образом, объемное соотношение фаз β применительно к заявленному устройству - это отношение площади сечения F-f, занятой парообразной средой (вскипевшей водой), к общей площади F, занятой топливом и парообразной средой и равной площади сечения на входе в камеру 3 смешения (перед скачком давления).

Значение показателя изоэнтропы

Число Маха .

Если давление на входе в сопло 5 равно Р₀, то давление на входе в камеру 3 смешения перед скачком равно .

Если в известном устройстве по патенту RU 1761241 объемное соотношение фаз на входе в камеру смешения было в диапазоне 0,4-0,7, то в настоящем устройстве это соотношение всегда будет больше 0,7. Поэтому в настоящем устройстве достигается большее число Маха, больший скачок давления на выходе из сопла 5, больший диапазон устойчивой работы устройства и более высокое качество эмульсии.

Настоящее устройство в схеме подачи получаемой водотопливной эмульсии в тепловой котел (фиг.2) работает следующим образом.

Из расходной топливной емкости (не показана), находящейся под атмосферным давлением, топливным насосом (не показан) через клапан 8 топливо подается на вход в устройство 9 (более подробно изображенное на фиг.1) для получения водотопливной эмульсии. Через топливное сопло 4 (фиг.1) этого устройства топливо поступает в камеру 3 смешения и через перепускной клапан 10 возвращается в расходную емкость. При этом на мановакууметре 11 устанавливается минимальное давление вследствие скачка давления в камере 3 смешения устройства 9, а на манометре 12 устанавливается давление, примерно равное атмосферному. Затем клапан 10 постепенно прикрывают на байпас и открывают на тепловой котел (не показан) при закрытом клапане 13. Давление на манометре 12 начинает возрастать, но на мановакуумметре 11 давление остается без изменений. Как только при дальнейшем открытии клапана 10 начинает расти давление на мановакуумметре 11, начинают открывать клапан 13, которым давление на мановакуумметре 11 удерживается постоянным до полного закрытия перепуска на байпас клапаном 10. При этом тепловой котел работает на топливе.

Затем открытием клапана 14 в водяное сопло 5 устройства 9 подают горячую воду. В камере 3 смешения происходит обмен количеством движения между пароводяным потоком вскипающей воды и топливом, при этом резко увеличивается скорость потока смеси, возрастает число Маха и увеличивается скачок давления в камере 3 смешения. При этом увеличивается температура водотопливной эмульсии и снижается ее вязкость. Попадая через клапан 13 в топочное пространство теплового котла, вода, равномерно распределенная в топливе, вскипает, в результате чего ее объем увеличивается в сотни раз, что приводит к разделению вещества топлива на группы молекул. Это интенсифицирует процесс горения, при этом сама вода диссоциирует, выделяя водород, что также приводит к снижению удельного расхода топлива.

Как показано на фиг.1, топливное сопло 4 выполнено в форме кольцевой щели. Однако в тех случаях, когда расход топлива мал и выдержать размер кольцевого зазора с требуемой площадью f выходного сечения сопла 4 конструктивно сложно, то выходное сечение сопла 4 можно выполнить в виде отдельных отверстий, симметрично расположенных вокруг оси 2 под углом к ней, меньшим 30°. Тогда площадь f будет равна сумме площадей этих отверстий.

Настоящее устройство было испытано на стенде для приготовления эмульсии из воды и дизельного топлива. Содержание воды в эмульсии превышало 30%, при этом смесь была качественной, а ее горение устойчивым, что позволило снизить расход топлива в котле более чем на 30% без снижения его мощности.

Устройство относится к приготовлению водотопливной эмульсии и может использоваться в энергетической, судостроительной, машиностроительной промышленности и на транспорте. Устройство содержит камеру смешения 3, а также топливное 4 и водяное 5 сопла для подачи соответствующих сред в камеру 3. В качестве водяного сопла 5 использовано сопло, обеспечивающее вскипание воды. Водяное сопло 5 содержит входной сужающийся 6 и выходной расширяющийся 7 по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла. Образующая начальной части расширяющегося участка 7 сопла 5 имеет вогнутую по отношению к оси сопла 5 форму кривой, плавно переходящей в критическом сечении сопла 5 в выпуклую по отношению к оси сопла 5 кривую. Водяное сопло 5 расположено по продольной оси 2 камеры 3, а топливное сопло 4 расположено соосно с водяным соплом 5 и выполнено в виде кольца, охватывающего концевую часть водяного сопла 5. Технический результат состоит в снижении энергетических затрат. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для приготовления водотопливной эмульсии, содержащее камеру смешения, топливное сопло для подачи топлива в камеру смешения и обеспечивающее вскипание воды водяное сопло для подачи водяной среды в камеру смешения, причем водяное сопло содержит входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки и расположено по продольной оси камеры смешения, а топливное сопло расположено соосно с водяным соплом и выполнено в виде кольца, охватывающего концевую часть водяного сопла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что образующая начальной части расширяющегося участка водяного сопла имеет вогнутую по отношению к оси этого сопла форму кривой, плавно переходящей в критическом сечении этого сопла в выпуклую по отношению к оси сопла кривую.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходное сечение топливного сопла выполнено в виде отверстий, симметрично размещенных вокруг оси водяного сопла.