Инженерная методика расчета проточного кавитационного эмульгатора

УДК 532

ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОТОЧНОГО КАВИТАЦИОННОГО ЭМУЛЬГАТОРА

А.Я. Исаков

В работе приведена инженерная методика расчета проточного устройства для получения эмульсий на основе жидких судовых топлив и воды. Предлагаемая конструкция аппарата предназначена для работы в судовых топливных системах.

The engineering design procedure of the flowing device in order to receive the emulsion on the basis of oil fuel and water of the ships is given in this work. The offered design of the device is intended for work in ship fuel systems.

Как показал теоретический и экспериментальный анализ [1], наиболее предпочтительным из всех существующих типов устройств для получения эмульсий в условиях машинно-котельных отделений судов и береговых предприятий являются перемешивающие устройства механического типа, активные элементы которых обтекаются рабочими жидкостями в режимах пузырьковой кавитации. Используя разрушительные эффекты гидродинамической кавитации на лопастях механических перемешивающих устройств, возможно приготавливать с их помощью эмульсии воды и топлива заданной дисперсности. Реализация оптимальных режимов эмульгирования возможна на основе устройств механического типа по проточной схеме получения эмульсии, когда за один проход через аппарат вода и топливо на выходе присутствуют в форме эмульсии с дисперсностью, позволяющей применять ее в качестве топлива.

Водотопливные эмульсии могут использоваться в качестве альтернативного топлива в судовых вспомогательных котлах и на береговых котельных, не ухудшая эксплуатационных параметров энергетических установок. Разработанная теоретическая модель нагревания и воспламенения капель водотопливной эмульсии позволяет оптимизировать дисперсность с позиций ее сжигания в топочных устройствах, работающих при атмосферном давлении [2]. Добавление в штатное топливо воды в объемной концентрации до ф < 0,4 не сказывается на условии воспламенения капель в топочном устройстве.

Применительно к судовым условиям наибольшего положительного эффекта от использования водотопливных эмульсий как в экономическом, так и в экологическом плане следует ожидать прежде всего за счет возможности утилизации жидких отходов, включая нефтесодержащие воды.

Таким образом, комплекс накопленных научно-технических сведений позволяет на инженерном уровне произвести выбор основных параметров технологии утилизации нефтесодержащих вод в судовых условиях и обосновать технические характеристики предлагаемых устройств.

Рассмотрим технологические особенности утилизации вод, содержащих горюче-смазочные материалы в условиях машинно-котельного отделения промыслового судна, на котором используются вспомогательные котлы, работающие на мазутах марок Ф-5, Ф-12, М-40. В системах топливоподготовки вспомогательных котлов при их переводе на питание водотопливными эмульсиями до недавнего времени были рекомендованы технологии, основанные на использовании аппаратов типа ГАРТ-ПрМ (гидродинамический аппарат роторного типа) [2]. Система топливоподготовки, которая прошла испытания на БМРТ «Демянск» (ВРПО «Севрыба»), использовала в своей основе циклическую схему подготовки эмульсии.

При эксплуатации котла на эмульсии мазута Ф-5 и воды с объемным содержанием около 32 % расход мазута при полной нагрузке котла уменьшился на 3,2 %. Температура уходящих газов при этом снизилась на 23°С, а комплексный КПД котельной установки упал всего на 2,6 %. При добавлении в мазут воды с концентрацией ф = 0,15 никаких изменений в параметрах работы котла зафиксировано не было. В целом же результаты длительной эксплуатации системы топливоподготовки показали, что применение водотопливной эмульсии позволяет улучшить технические показатели котла за счет экономии топлива, снижения интенсивности отложения нагара на поверхностях нагрева и изменения структуры нагара. Нагар при питании котлов ВТЭ имел рыхлую структуру и легко удалялся с поверхностей нагрева. Периодичность чисток удалось увеличить не менее чем в 1,5 раза. Вместе с тем были выявлены некоторые принципиальные технологические недостатки анализируемой системы топливоподготовки, главным из которых являлась необходимость готовить эмульсию впрок. В этой связи во избежание быстрого расслоения

дисперсность эмульсии доводилась до < df> = 5-10 мкм путем увеличения кратности циркуляций через эмульгатор до шести раз. Если производилась остановка котла на длительное (более четырех суток) время, то его запуску на ВТЭ должны были предшествовать несколько циркуляций через ГАРТ.

Самым слабым звеном в этой схеме топливоподготовки является эмульгатор ГАРТ-ПрМ, который по сути таковым вовсе не является, так как аппараты этого типа были предназначены для обработки неньютоновских жидкостей. Они впервые применялись в технологических линиях по производству пастообразных продуктов, в частности при производстве кремов для обуви. Другими словами, вязкость рабочих жидкостей, воды, топлива и эмульсии на несколько порядков ниже, чем предполагалась разработчиками аппарата, отсюда и ее не столь впечатляющие показатели при производстве эмульсии. Время пребывания эмульгируемых жидкостей в аппарате и вводимая в жидкость удельная мощность не обеспечивают необходимого дробления капель воды. Кроме того, устройство требовало организации специальной системы водяного охлаждения, что в судовых условиях при ограниченности рабочего пространства создавало дополнительные эксплуатационные трудности.

Небезосновательные опасения расслоения готового продукта делали необходимым готовить мелкодисперсную эмульсию, процесс горения которой, вероятнее всего, был далек от оптимального. Надо сказать, что за все время эксплуатации анализируемой системы топливоподготовки дисперсность эмульсии контролировалась только с позиций ее расслоения. Рациональной, на наш взгляд, является проточная, или непрерывная, схема производства эмульсии, когда оптимальная для данного топочного устройства дисперсность достигается за один проход через эмульгатор (рис. 1).

При такой схеме топливоподготовки вода и топливо в заданной пропорции одновременно поступают в аппарат. Причем такая схема дает принципиальную возможность регулировок в реальном масштабе времени в зависимости от расхода топлива при изменении эксплуатационных режимов. Предлагаемая система топливоподготовки должна иметь в своем составе: расходные цистерны воды (1) и топлива (2), автоматический дозатор воды в топливе - (АДВТ) (5), проточные кавитационные смесители ПКС (6) и (7) и необходимую запорную и регулировочную арматуру в виде клапанов (3) и фильтров (4). Вода и топливо (Б) одновременно подаются на два гидравлически независимых входа АДВТ, где при любом штатном потреблении топлива автоматически устанавливается заданная концентрация воды.

С эксплуатационной точки зрения любая модернизация топливной системы новым оборудованием должна несущественно нарушать ее общее гидравлическое сопротивление, потому что увеличение сопротивления делает необходимым привлечение дополнительных насосов. Поскольку ПКС и АДВТ включаются в систему подачи топлива последовательно, то необходимо, чтобы их суммарное гидравлическое сопротивление было равно нулю. С этой целью целесообразно ПКС выполнить по двухкамерной схеме, расположив в первой неоребренной камере (6) лопастную мешалку с наклонными лопастями, работающую в развитом турбулентном режиме и обладающую высокой насосной производительностью. Основную камеру (7) необходимо оборудовать кавитирующей турбинной открытой мешалкой, которая позволяет при прочих равных условиях вводить максимальную мощность в обрабатываемые среды. Готовая к применению эмульсия (Е) после ПКС через фильтр (4) посредством штатного насоса (8) подается на форсунки котла (9). Хз

В судовых вспомогательных котлах топливо в камеры сгорания 4^Л

попадает в виде сферических капель, размер которых колеблется в широких пределах - от 20 мкм до

0,5 мм. Самые лучшие образцы паромеханических форсунок типа Рис. 1. Проточная схема получения водотопливной эмульсии

«Титан» при лабораторных

испытаниях имели диаметр капель распыленного мазута от 170 мкм до 600 мкм. Судовые вспомогательные котлы, например, УХ-125 (плавбазы проекта В-69), работающие на мазутах

марок Ф-5, Ф-12, оборудованные топочным устройством типа «Монарх», характеризуются средним арифметическим диаметром капель распыляемого форсункой топлива < dF > > 250 мкм.

Как показал теоретический анализ, при использовании эмульсии непосредственно после ее приготовления дисперсность следует выбирать не из условий скорости расслаивания, как это рекомендуют многие авторы, а исходя из особенностей прогрева и воспламенения капель. Будем полагать далее, что микровзрыв при усредненной по протяженности температуре в камере сгорания ^ = 850°С и объемном содержании воды ф = 0,2 будут испытывать капли эмульгированного топлива с радиусами < гБ > > 60 мкм.

Напомним, что при содержании в топливе воды с ф = 0,2 теплотехнические параметры котла остаются такими же, как и на «сухом» топливе. Таким образом, минимальный размер капли обводненного топлива для дальнейших расчетов может быть принят г = 6 • 10-5 м. С позиций микровзрыва идеальным является случай, когда в капле топлива содержится одно сферическое включение воды. Радиус капель воды г„ при заданном ф можно определить из следующих соображений.

Запишем значение объемной концентрации воды в топливе применительно к одной капле:

ф= У,/У„ + Уб,

ф =______

(4/3)та£ + (4/3)яг*

где У„ - объем воды в одной капле топлива, Уб - объем капли топлива. Выразим из уравнения (2) значение радиуса сферического включения воды:

Г, = 4/77- .

V1 + -

Из уравнения (3) характерный размер капель воды определяется по формуле: г„ = 3,3 • 10-5 м. Такой случай является идеальным, но невозможным на практике. При таком подходе, учитывая сложность гидродинамики распыливания топлива форсунками, есть вероятность, что в камеру сгорания будут влетать «сухие» капли и сферические включения воды, лишь покрытые тонкой пленкой топлива. Такие ситуации имели место при проведении комплексных промышленных испытаний котлов УХ-125 и КВС-30/11-А при их работе на ВТЭ [2] разной дисперсности.

Как показали наблюдения, более 85 % капель топлива содержали более одного включения воды при выполнении условия:

Г, = 9,3 •Ю"6 м.

5 \ 1 + -

Примем в качестве характерной дисперсность эмульсии со среднеарифметическим радиусом включений воды < г„ > = 1 • 10-5 м. Каждый из рассмотренных ранее типов эмульгаторов позволяет получать эмульсию воды и топлива с < г„ > = 1 • 10-5 м при условии их обоснованного расчета применительно к обсуждаемым условиям. Одним из важных факторов при выборе типа устройства, учитывая судовые условия эксплуатации, является простота его конструкции и долговечность. С экономических позиций дооборудование штатной топливной системы устройствами производства эмульсии не должно существенно изменять систему топливоподготовки и штатное расписание судна. При выборе типа эмульгатора и

обеспечивающего его оборудования необходимо также учитывать возможности штатных

устройств. Так, например, если на судне имеется «свободный» насос, обеспечивающий

прокачивание жидкости со скоростью порядка 25-30 м/с, то предпочтение стоит отдать устройствам, использующим акустические колебания, т. е. гидродинамическим свисткам или сиренам.

Естественно, что разработать достаточно простой и надежный аппарат, способный удовлетворять всем перечисленным требованиям и обеспечивающий необходимые параметры на всех возможных сортах топлива, практически невозможно. Однако для большинства судовых вспомогательных котлов можно рекомендовать эмульгаторы на основе быстроходных механических перемешивающих устройств. Предпочтение аппаратам этого типа следует отдать вследствие простоты их изготовления и относительно малых экономических

затрат при внедрении. На

Рис. 4. Распределение скоростей на наклонной лопасти

Рис. 2. Схема двухступенчатого проточного эмульгатора

основании теоретического

анализа и экспериментальных исследований один из оптимальных вариантов аппарата (рис. 2) может быть

реализован при использовании двухступенчатого устройства.

В пилотном варианте аппарата эмульсия готовилась в двух активных ступенях, имеющих мешалки (4), (7),

и в пассивной вихревой камере (5) между ними. Использование в первой ступени перемешивания мешалки

с лопастями, наклоненными под углом 45о к плоскости вращения, обусловлено необходимостью компенсации дополнительного гидравлического сопротивления системы топливоподготовки. Шестилопастная мешалка обладает высокой насосной производительностью.

Вода и топливо, объемное отношение которых регулируется устройствами, не показанными на рисунке, поступает в проточный кавитационный смеситель (далее ПКС) через питающие патрубки (1), (2). Структура

потоков в первой камере смесителя исследовалась на модельном аппарате (рис. 3), выполненном из

органического стекла по методике, изложенной в работе [2].

На модели можно было оценивать насосную производительность и дисперсность эмульсии при различной производительности и концентрации воды. В экспериментах использовались топливо Т-5 и дистиллированная вода.

На рис. 4 показана схема возникновения составляющей

скорости жидкости у2, обеспечивающая всасывающую способность ступени:

где уот - скорость жидкости относительно лопасти.

Оценивая осевой эффект мешалки в единицах расхода, можно записать следующее соотношение:

1ш

уот 2лгШ эт а со8 а ёгш = 21уотг2 эт а соэ а

Рис. 3. Моделирование первой ступени смесителя

у = уо этасоза

ъ от

Уравнение (6) показывает, что насосная производительность при прочих равных условиях определяется радиусом мешалки и углом наклона ее лопастей к плоскости вращения. Величина

Qос будет иметь максимальное значение при а = 45°.

На рис. 5 показана функция 8та-со8а = ^а), подтверждающая выбор угла. Если производительность ступени будет меньше насосной производительности, т. е. Qос > Q, то будет наблюдаться циркуляция рабочих жидкостей в объеме. При условии равенства давлений воды и топлива на входе время пребывания жидкости в первой ступени определится как

Т,=ПХ..

1 Q1

Образование эмульсии в этой ступени аппарата, где лопасти мешалки обтекаются в безкавитационном режиме, происходит за счет касательных напряжений, возникающих вследствие разности отдельных слоев жидкости. Дисперсность водотопливной эмульсии можно оценить уравнением, записанным в виде [1]:

(

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

й Я 8

/

< >= 0,13

с

у,у

V рр у

Р,

V Р р^1 У

где Р1 - мощность, потребляемая мешалкой;

V, = пБА(1)ИА(1^4- объем цилиндрической части первой

ступени. Разрешим уравнение (8) относительно радиуса включений воды:

< Г*) >=

3Qf фс

РЕ(1) ^(1 -ф)’

р _ 3^фС,*/Р

Ре

20 40 60 80 а,град

Рис. 5. Зависимость smаcosа = Д-а)

Дисперсность эмульсии в первой камере смесителя, впрочем, как и во второй, определяется расходом топлива Qf и потребляемой мощностью. Уравнение (9) показывает, в частности, необходимость двух ступеней. При заданной величине Qf получение эмульсии заданной дисперсности в одной ступени приводит к необходимости введения всей энергии через лопасти одной мешалки. Этого можно добиться, увеличивая либо ее диаметр, либо частоту вращения, потому что мощность Рт, потребляемая мешалкой, определяется по формуле:

Р„

что приведет к развитой форме гидродинамической кавитации на лопастях, которая обладает низкой эрозионной активностью.

Жидкость в первой ступени имеет превалирующую тангенциальную составляющую скорости:

V ^т(1) у

V ^т(1) у

+1

0,4

где у1, у2 - геометрические параметры скорости в аппарате; г - текущий радиус, отсчитываемый от оси вращения мешалки. Максимум тангенциальной составляющей скорости имеет место при г = 0,71 Гт(1).

Жидкие судовые топлива, особенно мазуты, будучи сложными коллоидными соединениями, состоящими в основном из углерода, водорода, серы, азота и кислорода, имеют в своем составе комбинации химических элементов, которые могут выступать в качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ), поэтому на образование эмульсии требуются меньшие затраты энергии.

Рассматриваемая далее методика расчета ПКС ставит своей целью получение необходимых параметров аппарата, исходя из взаимосвязи между гидродинамическими характеристиками

обтекания лопастей мешалок и интенсивностью образования водотопливной эмульсии, которые необходимы для дальнейших конструкторских проработок. Необходимо отметить, что в настоящее время отсутствуют методы аналитического расчета кавитирующих мешалок, поэтому исходные данные должны быть определены опытным путем.

Исходя из экспериментальных данных [2], в качестве оптимального суммарного времени пребывания жидкостей в ПКС необходимо выбрать х2 = 80 с. Будем полагать далее, что в каждой ступени аппарата эмульсия находится по 40 с, т1 = т2 = 40 с. Как было установлено нами экспериментально на основе анализа режимов максимальной эрозионной активности кавитации на открытой турбинной мешалке, энергетический параметр для ступени с открытой турбинной мешалкой должен иметь следующее значение:

Р,

V

А

м

где Р2 - мощность, потребляемая открытой турбинной мешалкой, работающей в оребренном цилиндрическом аппарате; ^(2) = 0,25п ВА(2)НА(2) - объем второй ступени аппарата.

При этом отношение диаметра аппарата к диаметру мешалки (симплекс геометрического подобия) имеет вид:

ГБ(2) = ^А(2) /^т(2) — 1,2 •

Величину производительности аппарата выберем, исходя из расхода «сухого» топлива котлом, потребляющим Q = 370 кг/ч = 1,1  10 - 4 м3/с мазута марки Ф-12 при температуре 45°С. Диаметр аппарата с учетом уравнений (12) и (13) определится так:

:ч!

0,25П^А(2)НА(2) = 0Х2, ^ ^А(2) = .

40x2

пН

А

Задаваясь высотой второй ступени НА(2) = 0,2 м, получим значение диаметра БА(2) = 0,171 м, которое через уравнение (13) позволяет получить диаметр турбинной мешалки:

^т(2) = ^А(2) /ГБ(2) = 0,145 м •

Размеры отдельных элементов турбинной шестилопастной мешалки находятся в соответствии с рекомендациями:

диаметр круглой пластины, на которой закреплены лопасти:

аП(2) = 0,75^т(2) =0,1 м;

- длина лопасти мешалки:

1Л(2) = 0,25ат(2) — 0,036 м ;

- внутренняя окружность, образованная кромками лопастей:

аЛ(2) = 0,5ат(2) = 0,0725 м ;

- высота лопасти:

ЬЛ(2) = 0,2ат(2) = 0,029 м •

Перепишем далее уравнение (12) в следующем виде:

О =

4КР

П^А

Для аппаратов с Г0 < 1,3 критерий мощности Кр определяется уравнением:

К = 4С ш

где к(2) - безразмерный коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рис. 6, с учетом значения коэффициента ©:

0 _ 2ГР(2)2п(2)НА(2) 1п

С Б

Ьш

А

= 0,48,

где 7п(2), Ьп(2) - число и ширина перегородок. Высота перегородок в данном случае принята равной высоте второй ступени НА(2). Величина к(2) = 0,142, а коэффициент мощности для турбинной открытой мешалки Кр(2) = 6,8.

Подставим далее полученное значение Кр в уравнение (20), предварительно разрешив его относительно частоты вращения мешалки:

І

5 = 12,7 с'1.

Кр

Для практических вычислений плотность эмульсии целесообразно определять по приближенному уравнению:

Ре = ФР«, +

Так, например, для мазута марки Ф-5 при температуре 45°С плотность составляет рР = 937 кг/м3,

при объемном содержании воды ф = 0,2 плотность эмульсии рЕ = 949 кг/м3.

Полученная частота вращения должна быть скорректирована, исходя из характеристик электропривода. Асинхронные трехфазные электродвигатели выпускаются промышленностью с дискретным рядом частот вращения ротора. Стандартная ближайшая частота вращения ротора равна п0 = 12 с-1 . Для сохранения значения О необходимо изменить диаметр мешалки до

С

V

= 0,15 м.

Кр(2)РЕП0

Потребляемая второй ступенью перемешивания мощность определится так:

р2 = Кр

Диаметр лопастной мешалки в первой ступени эмульгирования выбирается как ^(2) = ёш(1) = 0,15 м. Диаметр ступицы и ширина лопастей тоже будут равны аналогичным параметрам турбинной мешалки. Критерий мощности для мешалок этого типа в режиме развитой турбулентности принимается как КР(1) = 0,7, откуда мощность первой ступени Р; = Кр(1)п^Ш(1) = 90 Вт. Мощность, необходимая для привода обеих мешалок, определится в виде суммы:

РЕ = Р1 + Р2 = 1,04 кВт .

С учетом механического коэффициента полезного действия электропривода Ппр = 0,7, коэффициента полезного действия уплотнения вала пуп = 0,85, коэффициента увеличения мощности при пуске та = 2,5 суммарная электрическая мощность приводного электродвигателя определится по формуле:

таР

Р0 =-----^ = 4,36 кВт.

Ппр Пуп

Приведенная выше методика определения основных конструктивных параметров аппарата для непрерывного получения водотопливных эмульсий обеспечивает создание проектов, удовлетворяющих требованиям судовых систем топливоподготовки как по энергетическим параметрам, так и по габаритным соображениям. Промышленные ведомственные испытания устройств серии ПКС и АДВТ показали их высокую эффективность при использовании в системах топливоподготовки судовых вспомогательных котлов. Наряду с прочим применение кавитационных смесителей позволяло предотвращать чрезвычайные экологические ситуации, связанные с несанкционированным сбросом нефтесодержащих вод в промысловые зоны океанов и морей. Предлагаемая технология позволяет сжигать в топках вспомогательных котлов нефтесодержащие воды даже на таких экологически сложных объектах, как плавбазы и плавзаводы.

Литература

1. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Метод расчета. РТМ 26-01-90-76. СССР / Л.Н. Брагинский, Э.А. Васильцов, А.Я. Исаков, В.Г. Ушаков и др. - М.: Всесоюзное промышленное объединение, 1976. - 160 с.

2. Исаков А.Я. Утилизация нефтесодержащих вод в судовых условиях. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2002. - 253 с.