Диспергатор Советский патент 1990 года по МПК B01F11/00 

п Фиг г

Изобретение относится к энергетике, в частности к судовым энергетическим установкам для приготовления водотопливных эмульсий (ВТЭ).

Цель изобретения - повышение эффективности работы устройства.

На фиг. 1 показана схема приготовления водотопливной эмульсии; на фиг. 2 - предлагаемое устройство, продольный разрез.

Схема состоит из трубопровода 1 подвода топлива, обводняющего устройства 2, перекачивающего (форсуночного) насоса 3, диспергатора 4, управляемых клапанов 5 на линиях расхода топлива 5 и байпасной линии 6 и форсунки 7.

Диспергатор 4 содержит цилиндрический корпус 8, внутри которого перпендикулярно его оси размещены подвижные в осевом направлении перфорированные диски 9, соединенные пружинами 10. В корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль его оси установлены направляющие втулки 11, в полости которых расположены диски 9. При этом перфорация дисков выполнена в форме сопел Вентури 12. Для использования энергии гидродинамического потока при перепаде давлений с изменением производительности пружины 10, размещенные по ходу рабочей среды, имеют число витков, определяемое из выражения:

(n-l),

где - количество витков в первой пружине, установленной между первым и вторым дисками; В-1 - разность количества витков предыдущей и последующей пружины;

,2, 3 и т. д.

Принцип работы схемы заключается в следующем.

По топливному трубопроводу 1 топливо за счет сил вакуума, создаваемых перекачивающим (форсуночным) насосом 3, подсасывается и входит в обводняющее устройство 2, где обводняется до заданного значения и поступает на насос 3. Выходной фланец насоса 3 жестко соединен с фланцем 13 входного патрубка диспергатора 4. Топливо поступает в проточную часть диспергатора 4 с установленными в ней подпружиненными перфорированными дисками 9. В связи с тем, что дисперга- тор 4 может работать с высоковязкими топ- ливами вплоть до гудрона, т. е. 40° ВУ при 80°С, он снабжен паровой рубашкой 14 обогрева диспергатора 4, выполненной между фланцем 13 и штуцером 15, т. е. от входа до выхода. Подогреватель особенно нужен в момент пуска, когда необходимо, чтобы топливо находилось в жидком состоянии. При подаче топлива в насос 3, вода вво0

дится на его вакуумной стороне через обводняющее устройство 2, поэтому сам насос любой модификации можно считать аппаратом предварительного диспергирования. Байпасная линия также способствует предварительному диспергированию топлива с всГдой, так как по этой линии водотопливная смесь может проходить несколько раз. Предварительно подготовленная водотопливная смесь поступает к диску 9, а так как диски подпружинены пружинами 10, учитывая пульсацию насоса 3, пружины 10 под давлением сил, создаваемых насосом 3, сначала сжимаются, а потом начинают вибрировать, создавая вокруг каждого диска 9 зону кави5 тации, а через сопло Вентури 12 идут струи тоже кавитирующего характера, т. е. во время работы диспергатора весь поток в проточной части превращается в сплошную кави- тирующую зону. При увеличении Нагрузки, т. е. повышении давления, пружины 10 дис® ками 9 поджимаются еще больше. Даже при работе на воде через стеклянную трубку рассмотреть что-либо невозможно, так как жидкость насыщена пузырьками газа, имеет цвет разведенного молока. Диски 9 удержи5 ваются в подвижных направляющих втулках 11. Когда нет давления насоса 3, первый диск 9 по ходу потока удерживается в заданном положении стопорным кольцом 16. Расходом топлива управляет клапан 5, клапан 6 перепуска относительно клапана 5

0 работает в обратной зависимости, т. е. клапан 5 открывается, клапан 6 закрывается и давление в системе топливного трубопровода поднимается, так как в форсунке 7 существуют калиброванные каналы.

При расчете сопла Вентури исходят из

5 заданной скорости и перепада на его входе и выходе. Исходя из производительности, находят его диаметр, который всегда больше по абсолютной величине, чем внутренний диаметр подводящего топливо трубопровода.

Q Известно, что наивысшая скорость - в центре трубы, а у стенки корпуса она стремится к нулю. Исходя из этого, перфорированный даек располагают в зоне высоких скоростей, а подвижную втулку - в зоне нулевых скоростей, поэтому подвижность

5 втулки и диска различна, а значит, и развиваемая частота пульсаций втулки и диска также неодинакова в потоке.

Поток топлива с крупными включениями воды поступает из топливного трубопровода в диспергатор. Известно, что в потоке после

0 насоса всегда существуют пульсации (локальный перепад давлений), которые действуют на первый диск, установленный в подвижную втулку. Цилиндрическая часть пружины меньше по своему диаметру, чем выточка во втулке на 1-2 мм, куда установлена пружина. Пружина поддерживает диск во втулке, но не оказывает воздействие на саму втулку. Таким образом, все диски удерживаются в подвижных втулках.

6

При сжатии среды до высокого давления с его последующим резким снижением в расширяющемся сопле Вентури возникает пристеночная кавитация. Одновременно с этим топливная среда подвергается воздействию усилий сдвига.

Физическая модель возникновения пристеночной кавитации и сдвиговых напряжений.

На входе в сопло скорость движения топливной по сечению постоянна и только у самой стенки уменьшается под действием сил трения между топливной средой и поверхностью. Топливный поток при входе в расширяющуюся часть сопла стремится двигаться с полученной скоростью без отклонений от оси потока, но благодаря конфигурации стенок диффузора сопла его направление изменяется. Эти две силы создают разрежение в топливной среде, нарушающее сплошность потока. Образуются каверны (пустоты), схлопывание которых сопровождается сильными гидродинамическими ударами. Создается зона звуковых и ультразвуковых колебаний топливной среды. Эта зона характеризуется пониженными скоростями движения потока и повышенными давлениями среды. Такие зоны как бы сужают сечения для прохода топливной среды, в связи с чем возрастают скорости движения потока в этом сечении. Резкое изменение скоростей движения потока (от обратно минимальных в кавитационной зоне до максимальных в суженных сечениях) приводит к возникновению сдвиговых напряже - ний из-за градиента скоростей. По мере движения потока к выходу из сопла зона кавитации постоянно уменьшается. Соот

ветственно, снижаются или повышаются

сдвиговые напряжения между слоями. Вероятность возникновения кавитационной зоны, ее размеры и плотность образующихся кавитационных каверн, а также сдвиговые напряжения зависят от скорости движе- ния топливного потока, размера его поперечного сечения, плотности и вязкости топлива и угла расширяющейся части сопла.

При работе диспергатора на определенных давлениях возникает резонанс пульсаций из-за разности жесткости пружин. Пуль- сации дисков в потоке создают свои вторичные и т. д. пульсации потока, поэтому необходимо, чтобы входная (конфузорная) часть имела малое сопротивление на входе и не увеличивала его резко на выходе. Известно, что сопло Вентури имеет сопро,- тивление по сравнению с обычным цилиндрическим отверстием в 5 раз меньше, поэтому энергозатраты в данном случае меньше. Увеличение сопротивления влечет к большей потере давления, создаваемого насосом, что ведет к уменьшению угла раскрытия факела и укрупнению среднего размера дисперсности распыла капель и, следовательно, к худшему выгоранию топлива.

Лучшее диспергирование в предлагаемом диспергаторе получается потому, что собственные колебания пружин усиливают эффект проскальзывания капель воды из-за разности плотностей между водой и топливом, а следовательно, увеличивают ее относительную скорость и способствуют усилению процесса кавитации и сдвиговых усилий.

Механизм дробления капель воды в диспергаторе, можно представить следующим образом: при турбулентном движении смеси наблюдается пульсационные движения макрообъемов (вихрей) жидкости как вдоль потока, так и в поперечном направлении-. При этом пульсационная скорость составляет 10-30% от средней скорости потока. При движении макрообъема поперек потока или навстречу ему, возникает относительная скорость капли воды, т. е. капля проскальзывает в топливо за счет того, что сила инерции капли воды больше силы инерции топлива (сила инерции пропорциональна плотности жидкости). Двигаясь относительно топлива, капля воды испытывает сопротивление топлива (сила трения при вязкости). Если сила трения превышает силу поверхностного натяжения, то капля дробится так, что ее максимальный радиус

Гчакс

2.6

(1)

;рг- wS

где t, - коэффициент сопротивления; о - прочность топлива; а - коэффициент поверхностного натяжения;wn - скорость пульсаций.

Формула (1) получена из сопоставления давлений на каплю со стороны сил трения и сил поверхностного натяжения. Кроме дробления капель при пульсациях, возможно также их дробление за счет деформации капель в пограничном слое под действием сдвига. Размер капель при сдвиге больше, чем при пульсациях, но вероятно не превышает 1 мм.

Из формулы (1) следует, что получение капель размером порядка 5-10 мкм возможно только при скоростях « 700 м/с. Следовательно, чтобы с помощью сил трения и инерционных сил раздробить капли воды до 10 мкм нужны нереальные скорости потока. Создать такие скорости во всем потоке невозможно. Значит их надо создавать только в макрообъектах (локально); причем силы остаются те же. Единственный путь получить такие скорости - кавитация. Только при схлопывании кавитационных каверн (пузырей) развивается громадный перепад давления до 106-108 Па, способный придать макрообъему жидкости скорость порядка 103 м/с и за счет этого в полном соответствии с (1) раздробить каплю воды до 10 мкм.

Формула изобретения 1. Диспергатор для приготовления водо- топливной эмульсии, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого перпендикулярно его оси размещены подвижные в осевом направлении перфорированные диски, соединенные пружинами, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы, он снабжен установленными с возможностью перемещения вдоль оси корпу- са направляющими втулками, в полости которых расположены диски, перфорация которых выполнена в форме сопл Вентури.

2. Диспергатор по п. 1, отличающийся тем, что пружины, размещенные по ходу рабочей среды, имеют число витков, определяемое из выражения:

(n),

где А - количество витков в первой пружине, установленной между первым и вторым дисками;

В- 1 - разность количества витков предыдущей и последующей пружин; п 1,2,3 и т. д.

Изобретение относится к диспергаторам водотопливных эмульсий и позволяет повысить эффективность работы. Диспергатор содержит цилиндрический корпус, внутри которого расположены подвижные подпружиненные диски 9. Диски расположены в полости подвижных направляющих втулок 11. Перфорация в дисках выполнена в форме сопл Вентури 12. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

фиг.1