Устройство для получения гидростабилизированного топлива

Полезная модель относится к устройствам для получения водотопливных эмульсий, например водомазутных эмульсий, и может быть использовано в нефтехимической и топливно энергетической промышленностях.
Полнота сгорания топлива и снижение содержания токсичных компонентов (окислов азота и серы, углерода, коксовых остатков и др.) в выхлопных газах, образующихся при сгорании топлива, напрямую зависит от качества смешения воды и нефтепродукта в водотопливной эмульсии. В качестве нефтепродукта может быть нефть, мазут, дизельное топливо и др.
Известно устройство для получения гидростабилизированного топлива, содержащее по меньшей мере две вихревые трубы с вводами для подачи в каждую из них смеси нефтепродукта с водой для формирования в каждой из них отдельного завихренного потока с общим для всех направлением завихрения, вытеснители, каждый из которых установлен в соответствующей вихревой трубе, и общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб за счет их пересечения по образующим (патент РФ 2726488, опубл. 14.07.2020).
Известное устройство позволяет организовать интенсивный тепломассоэнергообмен за счет поперечной деформации потоков, проходящих через его вихревые трубы.
Вместе с тем, в общей камере устройства в условиях, когда напор насоса является не достаточным для установления эффективной кавитации, может не достигаться требуемая равномерность смешения частичек воды в нефтепродукте, из-за увеличения дисперсности частичек воды.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства для получения гидростабилизированного топлива, обеспечивающего повышение качества смешения нефтепродукта с водой в условиях, когда напора насоса не хватает для установления кавитации требуемой эффективности, за счет создания принудительной турболизации эмульсии в общей камере устройства и, тем самым, снижения дисперсности частиц воды.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения гидростабилизированного топлива, содержащем по меньшей мере две вихревые трубы с вводами для подачи в каждую из них смеси нефтепродукта с водой для формирования в каждой из них отдельного завихренного потока с общим для всех направлением завихрения, вытеснители, каждый из которых установлен в соответствующей вихревой трубе, и общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб за счет их пересечения по образующим, внутренняя поверхность общей камеры выполнена оребренной по меньшей мере на 0,7 длины этой камеры.
Выполнение внутренней поверхности общей камеры оребренной по меньшей мере на 0,7 длины этой камеры позволяет снизить дисперсность частиц воды в водотопливной эмульсии, за счет турбулизации потока эмульсии, движущейся вблизи стенки общей камеры в направлении от выходов вихревых трубок через общую камеру к выходу из конфузора и, тем самым, повысить равномерность смешения частичек воды с нефтепродуктом.
Полезная модель поясняется графически, где на фиг. 1 показано для получения гидростабилизированного топлива.
Устройство содержит корпус 1, вихревые трубы 2 с вводами 3 для подачи в каждую из них смеси нефтепродукта с водой для формирования в каждой из вихревых труб завихренного потока с общим для всех направлением завихрения, общую камеру 4, сформированную на конечном участке всех вихревых труб 2 за счет их пересечения по образующим. В вихревых трубах 2 расположены вытеснители 5, выполненные в виде стержней. На выходе из общей камеры установлен конфузор 6, имеющий, например, конусообразную форму.
По крайней мере часть внутренней поверхности общей камеры 4, составляющей не менее 0,7 ее длины выполнена оребренной. Таким образом, на оребренном участке общей камеры 4 проходное сечение общей камеры по своей длине многократно изменяется: уменьшается, а затем увеличивается.
Регулярно повторяющиеся ребра на оребренном участке могут иметь различные формы сечения: треугольные, квадратные, округлые и т.д.
Устройство работает следующим образом.
Нефтепродукт (например, мазут) и вода в подаются в определенном соотношении (например, 80% мазута и 20% воды) в вихревые трубы 2 через входы 3. Для принудительного создания вихря в каждой вихревой трубе 2 установлен вытеснитель 5, наличие которого заставляет завихренный поток отжиматься к стенке вихревой трубы 2.
Вихри сталкиваются друг с другом в общей камере 4. Поток эмульсии, движущийся вблизи внутренней поверхности общей камеры, за счет наличия на ней ребер, образующие неровную поверхность с выпуклостями и впадинами, дополнительно турбулизируется.
На выходе из общей камеры 4 выходной поток ускоряется в конфузоре 6.
Экспериментально доказано, что протяженность оребренного участка внутренней поверхности общей камеры 4 должна составлять по крайней мере 0.7 длины этой камеры. Данная длина является оптимальной с точки зрения образования принудительного завихрения. При оребренности внутренней поверхности менее, чем на 0,7 длины общей камеры, эффективность смешения заметно снижается.
При проведении экспериментов по определению зависимости дисперсности частичек воды в получаемой водомазутной эмульсии от наличия оребрения в общей камере под понятием «дисперсность» понималась средняя величина диаметра частичек воды в эмульсии на заданной площади поверхности, наблюдаемой под микроскопом.
Средняя величина диаметра частичек воды в эмульсии определяется следующим образом:
где DS - дисперсность, размерность мкм;
N - число частичек воды в эмульсии на заданной площади поверхности, наблюдаемой под микроскопом;
i - номер частички воды в эмульсии;
Di - диаметр i-той частички воды в эмульсии, размерность мкм;
Дисперсность и равномерность распределения частичек воды в объеме нефтепродукта наблюдалась посредством микроскопа.
Эксперименты показали, что изменяющееся (многократно сужающееся, а затем расширяющееся) проходное сечение общей камеры уменьшает степень дисперсности воды в эмульсии и способствует более равномерному распределению частичек воды в эмульсии до 20% и выше.
Также экспериментально установлено, что в зависимости от давления на устройстве (и, следовательно, от скорости потока в общей камере), высота ребер на внутренней поверхности общей камеры может составлять от микрон до миллиметров. Чем больше скорость движения, тем меньше высота ребер.
Результаты экспериментов приведены в таблице 1, показывающей зависимость дисперсности частичек воды в мазуте от величины давления на входе в устройство для получения гидростабилизированного топлива с общей камерой диаметром 50 мм. при выполнении внутренней поверхности его общей камеры гладкой и оребренной.
Как показывают данные таблицы, при содержании воды в мазуте от 5 до 20% входное давление на устройстве должно составлять, соответственно, 2.5-6 атм (0.25-0.6 МПа). При таком давлении достигается наилучшая (минимальная) дисперсность частичек воды в мазуте (см. строки 1, 2 и 5, 6 таблицы).
При пониженном напоре насоса снижается давление на устройстве (строки 3, 7 таблицы), эффективность кавитации снижается, и дисперсность частичек воды увеличивается. Так при давлениях (0.12-0.17 Мпа) при выполнении общей камеры с гладкой поверхностью дисперсность частичек воды составляет от 50 до 300 мкм (строка 4 таблицы).
При оребрении внутренней поверхности общей камеры при тех же значениях давления 0.12-0.17 МПа дисперсность частичек воды составляет от 10 до 50 мкм.(строка 8)
Таким образом, выполнение внутренней поверхности общей камеры оребренной снижает дисперсность частиц воды, тем самым обеспечивая повышение равномерности смешения воды с нефтепродуктом в условиях пониженного напора, являющегося не достаточным для установления эффективной кавитации в устройстве.