ДИСПЕРГАТОР
DISPENSER

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к энергетике и машиностроению и может быть использовано при разработке и изготовлении диспергаторов, предназначенных для подготовки к сжиганию в двигателях внутреннего сгорания, котлах, турбинах различных топливных смесей (получения эмульсий топливных смесей), содержащих воду.
Уровень техники.
Известен диспергатор /патент РФ №2285558, опубл. 20.10.2006 г./, содержащий элемент с каналом для движения топливной смеси и устройства, вызывающие кавитацию при обтекании их топливной смесью, и при этом он выполнен в виде, по меньшей мере, двух элементов, между которыми распределяют поток топливной смеси, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один канал для движения топливной смеси, в котором происходит кавитационная обработка топливной смеси, причем канал для движения смеси выполнен в поперечном сечении в месте установки устройств кавитации в форме многоугольника, а все элементы объединены в пакет и/или заключены в единый корпус.
Недостатком аналога является большая скорость установления интенсивного диспергирования (интенсивной кавитации).
В книге Ганиев Р.Ф., Кормилицын В.И., Украинский Л.Е. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания. - М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. - 116 с. Представлены конструкции диспергаторов и результаты экспериментальных исследований. Главным недостатком всех, описанных в книге, диспергаторов - относительно большая скорость установления интенсивного диспергирования.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является диспергатор, который содержит корпус с каналом для движения жидкого топлива и в качестве жидкого топлива используют смесь, содержащую жидкое углеводородное топливо, воду; и канал, по направлению движения жидкого топлива, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала, минимальное проходное сечение канала, участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала /патент РФ №2239491, опубл. 10.11.2004 г./. Эти признаки совпадают с признаками изобретения.
Недостатками прототипа являются:
1. Большая скорость установления интенсивного диспергирования. Эксперименты показали, что в случае движения по каналу не возмущенного потока жидкости кавитация наступает при существенно больших скоростях потока, нежели при движении возмущенного внешними факторами потока жидкости.
В патенте РФ №2293599 снижение скорости установления интенсивного диспергирования достигалось за счет выполнения поперечных рифлей или чередующихся выступов и углублений на поверхности канала на участке с уменьшающимся проходным сечением канала.
В патенте РФ №2336938 снижение скорости установления интенсивного диспергирования достигалось за счет установления на входе диспергатора пластины, перегораживающей часть проходного сечения канала. Пластина эффективно перемешивала поток, но являлась большим гидросопротивлением для движения жидкости. Поэтому, как показали эксперименты, заметного снижения скорости установления интенсивного диспергирования не наблюдалось.
2. Малый объем области интенсивного диспергирования внутри канала.
Сущность изобретения.
Заявленное изобретение направлено на решение следующей задачи: снижение энергозатрат на качественное диспергирование (перемешивание).
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты: уменьшение скорости установления интенсивного диспергирования (интенсивной кавитации); увеличение объема (зоны) области интенсивного диспергирования в смеси при движении ее внутри канала.
Указанные технические результаты достигаются тем, что диспергатор, содержащий корпус с каналом для движения жидкого топлива и канал, по направлению движения жидкого топлива, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала, минимальное проходное сечение канала, участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала, и от прототипа отличается тем, что участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкого топлива, содержит область, содержащую чередующиеся по длине области выступы и углубления, причем область содержит, по меньшей мере, один выступ, высота которого больше высот остальных выступов на этой области, и область расположена на расстоянии К от минимального проходного сечения канала, причем расстояние К определяют по формуле
K=mD,
где m - величина, принимающая значение от 0.001 до 1;
D - диаметр минимального проходного сечения канала, а протяженность области составляет величину L, которую определяют по формуле
L=nS,
где n - величина, принимающая значение от 0.1 до 0.5;
S - протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала.
Диспергатор может быть выполнен так, что участок с уменьшающимся проходным сечением канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкого топлива, содержит область, содержащую поперечные рифли.
Дополнительно участок с уменьшающимся проходным сечением канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкого топлива, содержит область, содержащую поперечные рифли, причем область содержит, по меньшей мере, один выступ над бороздками рифлей.
К трубопроводу диспергатор может крепиться посредством фланцев или ввариваться, образуя единый проточный канал.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 представлен продольный разрез диспергатора с одним каналом для движения жидкого топлива.
На фиг.2 представлен продольный разрез диспергатора, у которого один канал для движения жидкого топлива разделяется на два канала, а затем эти два канала соединяются в один канал.
На фиг.3 представлен продольный разрез диспергатора с каналом для движения жидкого топлива. Участок с уменьшающимся проходным сечением канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкого топлива, содержит область, содержащую чередующиеся по длине области выступы и углубления, причем область содержит один выступ, высота которого больше высот остальных выступов.
На фиг.4, 5 и 6 представлены различные формы выступов и углублений.
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при испытаниях.
На фиг.8 представлено прямоугольное сечение А-А канала диспергатора.
На фиг.9 представлено сечение Б-Б тела, которое разделяет канал на два канала.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Дадим определения.
Жидкое топливо - вещество, которое предназначено для сжигания в устройстве для сжигания топлива: топке котла, камере сгорания реактивного двигателя, цилиндре двигателя внутреннего сгорания и др. В качестве жидкого топлива используют смесь, содержащую жидкое углеводородное горючее (топливо), воду. Жидкое топливо может содержать и другие компоненты.
Диспергатор - устройство для смешивания двух и более веществ.
Диспергирование - перемешивание. В заявленном диспергаторе перемешивание смеси осуществляется за счет ее кавитации.
Область интенсивного диспергирования - область в потоке смеси, где происходит интенсивное перемешивание смеси. Эту область интенсивного диспергирования еще называют рабочей областью диспергирования, или областью кавитации, или зоной кавитации, или зоной интенсивного диспергирования.
Корпус диспергатора - основной элемент диспергатора, в котором расположен канал или каналы для движения жидкости, в частности смеси, содержащей жидкое углеводородное топливо и воду. Смесь может содержать и другие компоненты.
Смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо веществ.
Жидкая смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо жидких веществ.
Под термином "канал" понимается полое пространства или полость, например, в виде трубы.
Канал в диспергаторе для движения жидкого топлива - пространство или полость, например в виде трубы, по которой движется топливо во время работы диспергатора. Канал содержит участки, в частности участок с уменьшающимся проходным сечением канала, участок с увеличивающимся проходным сечением канала. Канал диспергатора содержит минимальное проходное сечение канала, за которым во время работы диспергатора образуется область кавитации или область интенсивного диспергирования внутри канала.
Участок с уменьшающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала уменьшается.
Определение «участок с уменьшающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с увеличивающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала увеличивается.
Определение «участок с увеличивающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения уменьшается.
Участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения увеличивается.
Проходное сечение канала - поперечное сечения канала, через которое проходит топливо. Поперечное сечение канала является частью сечения диспергатора, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала на рассматриваемом участке. Проходное сечение характеризуется площадью проходного сечения.
Диспергатор, изображенный на фиг.1, содержит корпус 1 с каналом 2 для движения жидкого топлива (жидкой смеси, смеси), и канал, по направлению движения жидкого топлива (смеси), содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5, участок с увеличивающимся проходным сечением канала 7 (протяженность участка обозначена позицией 8).
Термин «по направлению движения жидкого топлива» обозначает то, что участки расположены один за другим (на фиг.1 - это слева - направо) по направлению движения смеси во время работы диспергатора.
На фиг.2 участки 20 и 26 расположены один за другим по направлению движения смеси. На фиг.2 участки 23 и 27 также расположены один за другим по направлению движения смеси.
Направление движения смеси на фиг.1 обозначено позицией 10, а на фиг.2 обозначено позицией 19.
Рифли - бороздки на поверхности канала.
Поперечные рифли - рифли, выполненные на поверхности канала в поперечном направлении (под углом 90°) относительно продольной оси канала.
Жидкое топливо - вещество, которое используют для работы двигателя внутреннего сгорания, котла теплоэлектростанции и др.
Направление движения жидкого топлива в канале - направление от входа в диспергатор до выхода из диспергатора.
Канал диспергатора на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкого топлива (см., например, патент РФ №2293599), может содержать область.
Область - часть поверхности канала не нулевой площади.
Протяженность области - длина области в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала (по прямой линии между крайними точками области).
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Дадим определение выступу.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линия пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Выступ определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена часть сечения, то говорят, что между указанными точками на границе сечения расположен выступ. Также говорят, что сечение содержит выступ на участке границы сечения или на границе сечения между двумя точками расположен выступ. Это определение (мы в нем заменили поперечное сечение на продольное сечение) опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Дадим определение углублению.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линия пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Углубление определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена область (пространство), примыкающая к границе сечения и не являющаяся сечением, то говорят, что между указанными точками расположено углубление. Это определение опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Чередующиеся по длине выступы и углубления - это когда за выступом следует углубление и т.д., при этом выступов не менее двух и углублений не менее двух.
Поверхность, соприкасающаяся с потоком жидкого топлива - внутренняя поверхность канала, которая контактирует с потоком топлива (жидкой смеси).
Перепад давления на диспергаторе - разность показаний манометров на входе и на выходе диспергатора при его работе.
Диспергатор содержит корпус 1 (см. фиг.1) с каналом 2 для движения жидкого топлива и в качестве жидкого топлива используют смесь, содержащую жидкое углеводородное топливо, воду; и канал, по направлению движения жидкого топлива, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5.
Поперечное сечение, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала и проходящее через минимальное проходное сечение канала 5 обозначено позицией 6 (обозначено пунктиром на фиг.1).
Позицией 7 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала (протяженность участка обозначена позицией 8).
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала на своей поверхности 9, соприкасающейся с потоком 10 жидкого топлива, содержит область 11 (см. фиг.2), содержащую чередующиеся по длине области выступы 12 и углубления 11, причем область содержит один выступ 14, высота которого больше высот остальных выступов на этой области.
Область 11 расположена на расстоянии 15 (см. фиг.3) от минимального проходного сечения канала 5. В частном случае область расположена на расстоянии 0.1 мм - это расстояние из диапазона значений от 0.001 до 1 мм. Чем ближе область 11 к сечению 5, тем меньших размеров она может быть.
Протяженность области составляет величину L, которую определяют по формуле
L=nS,
где n - величина, принимающая значение от 0.1 до 0.5;
S - протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала.
При S=100 мм L может принимать значения 10 мм, 15 мм, 20 мм, 30, 40, 50 мм. Могут быть и другие протяженности.
Область интенсивного диспергирования обозначена позицией 16 на фиг.3.
На фиг.2 изображено продольное сечение диспергатора. Диспергатор содержит корпус 17 (см. фиг.2) с каналом 18 для движения жидкого топлива.
Канал по направлению движения 19 жидкого топлива разветвляется на два канала. При этом первый канал содержит участок 20 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 21), минимальное проходное сечение канала 22. Позицией 26 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине первого канала.
Второй канал содержит участок 23 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 24), минимальное проходное сечение канала 25.
Позицией 27 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине второго канала.
Диспергатор может быть выполнен так, что содержит канал 28 (см. фиг.1) для подачи жидкости (или газа, пара) в область интенсивного диспергирования.
На фиг.2 изображен диспергатор и диспергатор выполнен так, что содержит два канала 29 и 30 для подачи жидкости (или газа, пара) в области интенсивного диспергирования за сечениями 22 и 25. Тело, которое разделяет канал на два канала, выполнено в виде трубы 40 с двумя каналами (отверстиями) 29 и 30.
На фиг.4-6 представлены чередующиеся выступы и углубления различных видов. Выступы с наибольшей высотой обозначены позициями 31, 32 и 33.
Высота выступа 31 обозначена позицией 39. Высота малого выступа обозначена позицией 37. Высота замеряется от срединной (средней) линии 34 см. http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Кроме того, на фиг.5 и 6 срединные линии обозначены позициями 35 и 36.
Глубина углубления 38 также замеряется от срединной линии.
Выступы и углубления могут выполняться прямоугольной, трапециевидной, треугольной, круглой формы (практически любой формы) в продольном сечении канала. Глубина углубления может составлять величину 0.005 мм÷5 мм, при толщине корпуса диспергатора, превышающего глубину углубления не менее чем на 10%. Высота выступа может составлять величину 0.005 мм÷5 мм при диаметре проходного сечения канала, превышающем высоту выступа не менее чем на 100%.
Выступ с максимальной высотой выполнен таким образом, что его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.1÷10 раз.
На поверхности канала, соприкасающейся с потоком смеси, могут быть выполнены поперечные рифли. Рифли могут выполняться прямоугольной, треугольной, круглой (или округлой) формы в продольном сечении канала. Глубина рифлей может составлять величину 0.005 мм÷5 мм, если позволяет толщина корпуса диспергатора.
Геометрические характеристики выступов, углублений и рифлей выбираются из условий обтекания их потоком смеси, а именно с учетом скорости потока, давления торможения, плотности смеси, а также от того, где расположены выступы, углубления (рифли) относительно минимального проходного сечения.
Главная задача этих устройств - максимальное возмущение потока перед зоной интенсивного диспергирования (кавитации) как у стенок канала, так и в глубине потока смели.
На практике (на момент подачи данной заявки на экспертизу в ФИПС) апробированы конструкции диспергаторов с диаметром канала от 5 до 100 мм, длиной сужающегося участка (участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала) от 50 до 1000 мм, глубиной рифлей и углублений от 0.001 до 5 мм, высотой выступов от 0.001 до 5 мм.
При этом глубины величиной 0.001÷0.004 мм дают малый эффект. Лучше выполнять глубины начиная с величины 0.005 мм и глубже.
Высоты выступов величиной 0.001÷0.004 мм также дают малый эффект. Лучше выполнять высоты выступов начиная с величины 0.005 мм и выше.
Экспериментально подтверждено, что заметный (по приборам и визуально) эффект дает выступ с максимальной высотой когда его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.05÷10 раз. Однако превышение на 5% дает малый эффект. Лучше, чтобы высота наибольшего по высоте выступа превышала высоту наименьшего выступа в 1.1÷10 раз.
Перемешивание потока 10 топливной смеси в диспергаторе осуществляется при взаимодействии ее с выступами 12, 14 и углублениями (рифлями) 13 и в зоне интенсивного диспергирования смеси (в зоне кавитации) 16. См. фиг.3.
В процессе обтекания смесью выступов 12, 14 и углублений 13 поток смеси перемешивается (можно сказать - турбулизируется). Причем выступы малой высоты осуществляют перемешивание вблизи внутренней поверхности канала. А выступ большой высоты перемешивает слои потока, движущиеся ближе к центру потока.
Далее двигаясь по участку канала с уменьшающимся проходным сечением по длине канала (по сужающейся части канала) 3 (см. фиг.3), смесь ускоряется до скорости 10 м/с и выше. Экспериментально апробирован разгон топливной смеси до скорости более 50 м/с.
Скорость смеси увеличивается, а давление в потоке уменьшается. Уменьшение давления вызывает появление паровых пузырьков в зоне (области) потока 16. В дальнейшем смесь тормозится - попадает в область повышенного давления. Торможение происходит на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - за сечением 5.
При торможении смеси паровые пузырьки (кавитационные пузырьки) охлопываются, обеспечивая при этом эффективное дробление компонентов смеси и их перемешивание.
На фиг.1 показан канал 28. По этому каналу в зону кавитации (интенсивной кавитации) может подаваться жидкость, газ или пар. Например, при работе диспергатора по каналу в зону интенсивной кавитации подают водяной пар.
Или при работе диспергатора по каналу в поток жидкости на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала подают водяной пар.
На фиг.2 показаны два канала 29 и 30. По этим каналам в зону кавитации может подаваться жидкость, газ или пар.
Авторами проведены сравнительные испытания диспергаторов с различными конструкциями выступов и углублений.
При разработке заявки были проведены эксперименты на диспергаторе с прозрачным корпусом. Конструкция диспергатора аналогична конструкции, приведенной на фиг.1 и 3. Жидкость прокачивалась через диспергатор с помощью насоса.
Область, содержащая чередующиеся по длине области выступы и углубления, расположена на расстоянии 0.1 мм от сечения 5 (см. фиг.3). Протяженность области - 20 мм, ширина области - 10 мм. Количество выступов - 20. Количество углублений - 19.
Выступы выполнены высотой 0.5 мм. Один выступ, расположенный в центре области - регулируемый по высоте и имеет возможность подниматься на высоту 5 мм над срединной линией границы продольного сечения. Диаметр этого выступа - 2 мм.
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала - 40 мм.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала - 40 мм.
Диаметр проходного сечения канала на входе в диспергатор и на выходе из диспергатора - 60 мм.
Диаметр минимального проходного сечения - 5 мм.
Протяженность зоны 16 интенсивной кавитации обозначена позицией 41.
Протяженность зоны определялась визуально через прозрачный корпус диспергатора. При работе диспергатора на различных режимах протяженность зоны составляла величину от 3 до 7 мм.
В эксперименте изменялась высота регулируемого выступа и скорость движения жидкости (50% солярки и 50% воды).
На входе и выходе диспергатора установлены манометры. Скорость потока регулировалась задвижкой, расположенной в трубопроводе между насосом и диспергатором.
Скорость потока измерялась с помощью гидрометрической вертушки типа ИСП-1.
Результаты экспериментов приведены в таблице.
Анализ таблицы показал, что с увеличением высоты выступа скорость потока в минимальном проходном сечении, которая обеспечивает установление интенсивной кавитации, уменьшается. Это позволяет снизить мощность насоса для прокачки смеси через диспергатор до 20%.
Кроме того, с увеличением высоты выступа наблюдается увеличение объема (зоны) области интенсивного диспергирования в смеси при движении ее внутри канала. Это повышает качество диспергирования.
Эксперименты показали, что увеличение числа выступов увеличенной высоты до 2, 3 и т.д. в одном продольном сечении не приводит к усилению эффекта.
Таблица
Зависимость скорости установления интенсивного диспергирования от геометрических характеристик выступов и углублений (обеспечивается перепад давления на диспергаторе 2.1 атм)
№
Высота регулируемого выступа, мм
Скорость потока в минимальном проходном сечении, м/с
Протяженность зоны интенсивной кавитации, мм
1
Выступы отсутствуют
19.0
3
2
0.5
18.0
3
3
0.6
17.5
3
4
0.65
17.5
3
5
1.0
16.7
4
6
1.5
16.3
4
7
2.0
16.0
5
8
2.5
15.7
5
9
3.0
15.3
5
10
3.5
14.3
6
11
4.0
14.0
6
12
4.5
13.8
7
13
5.0
13.3
7
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при испытаниях.
Канал 42 имеет прямоугольную форму (см. фиг.8). Позицией 43 обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. В испытаниях скорость потока смеси на входе в диспергатор принимала значения от 6 до 20 м/с. Позицией 44 также обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. Тело 43 повернуто на 90° относительно тела 44. За телом 43 отверстия 45 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 46. За телом 44 отверстия 49 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 47. По трубе 48 в поток также может подаваться компонент смеси.
Канал имеет высоту 50 и ширину 51. В экспериментах канал имел ширину 8-20 мм, высоту 4÷10 мм. Диаметр тела 43 имел значение 4÷10 мм. Диаметр 52 тела 44 имел значение 4÷6 мм.
Скругления канала 53 и 54 рассчитывались по методике, приведенной на стр.38÷44 источника: Рихтер Л.А. Газовоздушные тракты тепловых электростанций. М., «Энергия», 1969. Скругления обеспечивают безотрывный поворот потока, что важно для поддержания стабильной кавитации.