Способ формирования водотопливной эмульсии
METHOD FOR FORMATION OF WATER-FUEL EMULSION

Способ относится к топливной энергетике, конкретно к способам получения водотопливных эмульсий (ВТЭ) в энергетических установках.
В настоящее время в энергетических установках используются, как правило, остаточные топлива (тяжелые мазуты). Когда такое топливо доставляется в железнодорожных цистернах на котельные промышленных предприятий, то для перекачивания в заводские емкости его необходимо разогревать. Разогрев проводится, в основном, паром, и топливо значительно обводняется, зимой до 10% и более. Частично вода после отстоя сливается, но и значительная ее часть остается в топливе (вода очень плохо разделяется с тяжелым топливом), где она располагается линзами. Если из такого обводненного топлива создать стабильную водотопливную эмульсию и довести содержание воды до 20-40 % (в зависимости от вида топлива и энергетической установки), то такое топливо сгорает более эффективно.
Известен способ подготовки жидкого топлива и устройство для его осуществления, патент RU 2143312, B01F3/08, опубл. 27.12.1999, который принимаем за прототип. В известном способе осуществляют периодическую рециркуляцию топлива, находящегося в топливном резервуаре через трубопроводную магистраль, включающую нагреватель и гидродинамический кавитационный аппарат, в котором осуществляют эмульгирование топлива с водой. В качестве примеров используемых кавитационных аппаратов указаны устройства по  заявкам на патент RU 94042513, RU 94042798, RU 95106245. Указанные устройства представляют собой статические смесители, в которых эмульгирование топлива с водой достигается пропусканием их смеси через малые отверстия под высоким давлением. Для использования данных устройств необходимо создавать высокое давление на входе, что подразумевает отношение системы приготовления ВТЭ к системам, работающим под высоким давлением, и к работе которых предъявляются такие требования как техническое освидетельствование, разрешение на эксплуатацию и др. К тому же для необходима периодическая регулировка зазоров между элементами, содержащих отверстия, с целью поддержания минимального расстояния между ними.
Недостатком известного способа является высокая сложность приготовления ВТЭ за счет необходимости создания высокого давления на входе кавитационного аппарата.
Известен генератор гидродинамических колебаний (или гидродинамический кавитатор) по патенту  RU 2269386, МПК B06B1/20, опубл. 10.02.2006. Известное устройство содержит корпус, в котором выполнены входное сопло, торообразная кавитационная камера, выходное сопло, проточка, в которой размещен элемент вторичной кавитации, выполненный в виде кольца. В корпусе выполнены отверстия для подсоса воздуха (газа) или жидкости.
Технический результат направлен на повышение качества формируемой ВТЭ и упрощение способа ее приготовления.
Технический результат достигается тем, что предложен способ формирования водотопливной эмульсии, в котором осуществляют периодическую циркуляцию топлива, находящегося в топливном резервуаре через трубопроводный контур рециркуляции, включающий нагреватель топлива и гидродинамический кавитационный аппарат, в котором осуществляют эмульгирование топлива с водой, и который включает корпус с входным и выходным соплами, торообразную кавитационную камеру, содержащую отверстия для подачи водовоздушной смеси, и элемент вторичной кавитации, выполненный в виде кольца, размещенного в проточке камеры.
Предложенный способ поясняется следующим графическим материалом.
На фиг. 1 изображена система мазутного хозяйства, осуществляющей формирование и подачу ВТЭ на форсунки котельной установки.
На фиг. 2 изображен кавитационный аппарат в разрезе, в котором осуществляют эмульгирование топлива с водой.
На фиг. 1 система мазутного хозяйства содержит топливные резервуары 1, трубопроводный контур рециркуляции, который включает последовательно установленные нагреватели топлива 2, фильтры грубой очистки 3, насосы рециркуляции 4, кавитационный аппарат 5; содержит магистраль подачи ВТЭ на сжигание, которая включает последовательно установленные фильтры грубой очистки 6, подающие насосы 7, нагреватели 8, фильтры тонкой очистки 9; содержит форсунки 10 котельной установки 11.
На фиг. 2 кавитационный аппарат 5 содержит корпус 12, в котором выполнены входное сопло 13, торообразная кавитационная камера 14, выходное сопло 15, а также проточка 16, в которой размещен элемент вторичной кавитации, выполненный в виде кольца 17. В корпусе 12 выполнены отверстия 18. Кавитационный аппарат 5 снабжен дозатором воды (на фиг. не показан) для подачи через отверстия 18 водовоздушной смеси. Входное сопло 13 и выходное сопло 15 сужены в области соединения с камерой 14. Кавитационный аппарат 5 во входном сопле 13 в его сужающейся части содержит жестко установленную спиралевидную лопасть 19. При этом входное сопло 13 может быть выполнено со смещением  относительно оси кавитационной камеры 14.
Пример реализации способа формирования ВТЭ в системе мазутного хозяйства осуществляется следующим образом.
Осуществляют периодическую циркуляцию топлива, находящегося в топливном резервуаре 1 через трубопроводный контур рециркуляции. Для этого топливо периодически извлекают из топливных резервуаров 1 и пропускают его сначала через нагреватели 2, в которых оно подогревается и становится менее вязким, затем пропускают через фильтры грубой очистки 3, при помощи которых удаляют крупные фракции примесей, затем при помощи насосов рециркуляции 4 топливо пропускают через кавитационный аппарат 5, где происходит его эмульгирование с водой. А именно поток топлива, нагнетаемый насосами рециркуляции 4, подается во входное сопло 13 кавитационного аппарата 5, где попадает на спиралевидную лопасть 19. Стенки входного сопла 13 и спиралевидная лопасть 19 образуют спиралевидный канал, проходя через который поток закручивается. Жестко установленная спиралевидная лопасть 19 во входном сопле закручивает поток жидкости, что позволяет увеличить «факел кавитации», а именно увеличить длину контакта с водоворотными областями внутри кавитационной полости, и тем самым усилить кавитацию. В области соединения входного сопла 13 с кавитационной камерой 14 диаметр входного сопла 13 уменьшается и происходит ускорение потока топлива. Далее закрученный поток попадает в торообразную кавитационную камеру 14. В полости, образованной стенкой кольца 17 и стенкой проточки 16, формируется область пониженного давления. Через отверстия 18 в кавитационную камеру подают водовоздушную смесь. Поступивший воздух, перемешиваясь с водой и топливом, образует дополнительные завихрения внутри камеры 14, при этом кавитация усиливается. Усиление кавитации обеспечивает повышение качества смешивания топлива с водой. Смещение оси входного сопла 13 относительно оси кавитационной камеры 14 приводит к косоструйности потока внутри камеры, что увеличивает длину контакта транзитной струи с водоворотными областями. Образованная в результате кавитации ВТЭ выходит через выходное сопло 15 и ее подают обратно топливные резервуары 1.
Сжигание ВТЭ, образовавшейся в топливных резервуарах 1, осуществляют через магистраль подачи ВТЭ на сжигание. Для этого ВТЭ извлекают из топливных резервуаров 1, затем пропускают через фильтры грубой очистки 6, затем при помощи подающих насосов 7 пропускают через нагреватели 8, затем пропускают через фильтры тонкой очистки 9 и подают на форсунки 10 котельной установки 11.
Применение в предложенном способе указанного кавитационного аппарата обеспечивает простоту приготовления ВТЭ. Это обеспечивается тем, что данный аппарат работает под давлением до 10 атмосфер. Данный кавитационный аппарат не имеет подвижных изнашивающихся элементов и его применение обеспечивает пониженный расход электроэнергии.
Повышение качества формируемой ВТЭ обеспечивает в предложенном способе то, что кавитационный аппарат дополнительно содержит жестко установленную спиралевидную лопасть во входном сопле и то, что в кавитационный аппарат подают смесь воды с воздухом.