УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДО-МАЗУТНОГО ТОПЛИВА

Предлагаемая конструкция относится к устройствам для мелкодисперсного эмульгирования обводнённого мазута и приготовления водо-мазутной эмульсии, и может быть использовано в химической, нефтехимической и теплоэнергетической отраслях промышленности, в частности, в котельной технике при сжигании вязкого топливного сырья.
Известна конструкция кавитационного устройства подогрева мазута, состоящая из корпуса с крышками, внутри которого поперёк направлению движения обводнённого мазута рядами установлены полые стержни, на наружной и внутренней поверхности которых выполнены чередующиеся выступы и канавки. В крышках выполнены каналы для распределения мазута и теплоносителя, причём одна из них подключена к трубопроводу подачи последнего в полые стержни, а другая – к трубопроводу для его отвода из них (патент РФ № 2390693, МПК F 23 K 5/20, F 23 K 5/12, 27.05.2010 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что локальные кавитационные зоны, внутри которых обеспечиваются высокие локальные эффективность и интенсивность перемешивания, возникают не во всём рабочем объёме устройства при его эксплуатации, а только в пространстве сужающихся каналов между полыми стержнями, где происходит схлопывание кавитационных пузырьков. Это обстоятельство способствует уменьшению общих эффективности и интенсивности перемешивания, что, в свою очередь, приводит к уменьшению производительности устройства по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии. Кроме того, недостатком является сложность конструкции устройства, обусловленная необходимостью выполнения пространственно-ориентированного профиля на наружной и внутренней поверхностях полых стержней, а также распределительных каналов в крышках.
Известна конструкция устройства для подготовки к сжиганию обводнённого мазута, состоящая из нескольких последовательно соединённых гибами цилиндрических прямолинейных участков, внутри которых скрещенно-последовательно в поперечных сечениях по диаметру расположены изогнутые пластины в виде прямого геликоида (патент РФ №112984, МПК F 23 K 5/12, B 01 F 3/08, 27.01.2012 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что изогнутые в виде прямого геликоида пластины являются неподвижными и не могут создавать высокую степень турбулизации потока при его кольцевом завихрении. Это обстоятельство уменьшает эффективность и интенсивность перемешивания вязких и особенно высоковязких водо-мазутных смесей и, как следствие, уменьшает производительность устройства по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для гидродинамического эмульгирования жидкого топлива, содержащее гидродинамический кавитационный аппарат, отличающееся тем, что он выполнен как тангенциально-осевой вихревой эмульгатор, состоящий из трубопровода обрабатываемых жидких топлив, трубопровода добавляемой жидкости – чистой, замазученной или замасленной воды, отработавших масел, горючих жидких отходов, присадок, цилиндрического корпуса эмульгатора с верхней и средней кольцевыми полостями и внутренней полостью, кавитационной зоной; верхняя и средняя кольцевые полости связаны тангенциально установленными соплами с внутренней полостью корпуса эмульгатора, обеспечивающими соответственно тангенциальный подвод в нее жидких топлив и добавляемой жидкости, трубопровод добавляемой жидкости соединен осевым патрубком с внутренней полостью корпуса эмульгатора, с возможностью подачи в его центральную осевую часть добавляемой жидкости; трубопровод добавляемой жидкости снабжен регулирующим вентилем с возможностью регулирования в эмульгированном топливе процентного соотношения обрабатываемого жидкого топлива и добавляемой жидкости (патент РФ № 2498158, МПК F 23 K 5/12, B 01 F 3/08, 10.11.2013 г.).
Недостатком конструкции является то, что с увеличением вязкости перемешиваемых водо-мазутных смесей пропорционально уменьшается степень турбулизации совместно вращающихся потоков перемешиваемых сред внутри кольцевых полостей тангенциально-вихревого эмульгатора и его кавитационной зоне, что, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективности и интенсивности перемешивания и, в конечном итоге, уменьшает производительность устройства по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии. Кроме того, к недостаткам следует отнести высокое гидравлическое сопротивление устройства, обусловленное сложной конструкцией его тангенциально-вихревого эмульгатора, состоящего из нескольких сообщающихся друг с другом полостей.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение производительности устройства для приготовления водо-мазутного топлива.
Технический результат достигается тем, что устройство для приготовления водо-мазутного топлива, содержащее тангенциально-осевой вихревой эмульгатор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с осевым штуцером подачи топливного мазута и тангенциальными штуцерами подачи воды, причём снаружи вертикального цилиндрического корпуса закреплена паровая рубашка со штуцерами подачи греющего водяного пара и отвода конденсата, в верхней части корпуса закреплён расширяющийся конический раструб со штуцером вывода водо-мазутного топлива, а внутри корпуса расположен слой мелкозернистого материала.
Размещение внутри вертикального цилиндрического корпуса слоя мелкозернистого материала позволяет при скоростях, лежащих в диапазоне                  скоростей псевдоожижения, создавать восходящим потоком водо-мазутной смеси псевдоожиженный слой мелкозернистого материала по всей высоте корпуса. Применение псевдоожижения обеспечивает равномерное перемешивание водо-мазутной смеси во всём объёме псевдоожиженного слоя, что способствует значительному увеличению эффективности и интенсивности перемешивания и, как следствие, увеличению производительности по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии. В качестве мелкозернисто материала могут использоваться песок, стеклянные или керамические шарики, пластиковые гранулы и т. п. Оптимальный для псевдоожижения размер частиц в среднем составляет 1,5÷4,0 мм.
Закрепление в верхней части вертикального цилиндрического корпуса расширяющегося конического раструба увеличивает его проходное сечение, что позволяет предотвратить унос частиц мелкозернистого материала из корпуса за счёт резкого снижения скорости потока водо-мазутной смеси, которая становится меньше скорости псевдоожижения, что приводит к постоянному и устойчивому содержанию частиц мелкозернистого материала в корпусе, не требуя остановки процесса для возобновления необходимого для оптимальной работы аппарата объёма мелкозернистого материала, увеличивая тем самым производительность заявляемого устройства.
Закрепление снаружи вертикального цилиндрического корпуса паровой рубашки со штуцером подачи греющего водяного пара и штуцером отвода конденсата обеспечивает возможность нагрева водо-мазутной смеси в процессе её перемешивания в псевдоожиженном слое мелкозернистого материала для уменьшения её вязкости и достижения ещё более высоких эффективности и интенсивности перемешивания и, как следствие, ещё более высокой производительности по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии.
Необходимо также отметить, что использование в качестве теплоносителя греющего водяного пара, конденсирующегося на стенки вертикального цилиндрического корпуса, повышает в два-три раза коэффициент теплоотдачи (интенсивность теплоотдачи) от конденсата к стенке по сравнению с конвективной теплоотдачей при использовании других теплоносителей. Использование псевдоожижения, во-первых, повышает также в два-три раза коэффициент теплоотдачи от стенки вертикального цилиндрического корпуса к нагреваемой водо-мазутной смеси по сравнению с теплоотдачей к жидкому теплоносителю без псевдоожиженного слоя за счёт турбулизации потока,                     во-вторых, выравнивает по высоте температуру стенки корпуса, а, в-третьих, за счёт трения частиц мелкозернистого материала, образующих псевдоожиженный слой, о стенку корпуса предотвращает в процессе эксплуатации устройства образование на ней ржавчины, солевого камня, накипи, продуктов термической деструкции и других отложений – термических сопротивлений, что в своей совокупности значительно повышает интенсивность теплоотдачи от стенки вертикального цилиндрического корпуса к нагреваемой водо-мазутной смеси. С увеличением интенсивности теплопередачи от греющего водяного пара к нагреваемой водо-мазутной смеси увеличиваются эффективность и интенсивность её перемешивания и, как следствие, увеличивается производительности устройства по получаемой мелкодисперсной водо-мазутной эмульсии.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для приготовления водо-мазутного топлива, на фиг. 2 – разрез по А-А.
Устройство для приготовления водо-мазутного топлива представляет собой тангенциально-вихревой эмульгатор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса 1, в нижней части которого расположены осевой штуцер 2 подачи топливного мазута и тангенциальные штуцеры 3 подачи воды. Снаружи вертикального цилиндрического корпуса закреплена паровая рубашка 4 со штуцером 5 подачи греющего водяного пара и штуцером 6 отвода конденсата, в верхней части корпуса закреплён расширяющийся конический раструб 7 со штуцером 8 вывода водо-мазутного топлива, а внутри корпуса расположен слой мелкозернистого материала 9.
Устройство для приготовления водо-мазутного топлива работает следующим образом.
Внутрь вертикального цилиндрического корпуса 1 тангенциально-вихревого эмульгатора загружается слой мелкозернистого материала 9 в количестве, обеспечивающим при рабочей скорости водо-мазутной смеси его расширение на всю высоту корпуса. Через штуцеры 2 и 3, расположенные в нижней части корпуса, подаются перемешиваемые среды – топливный мазут и вода соответственно, где они предварительно смешиваются друг с другом за счёт вихревого движения потока воды, поступающего через два тангенциальных штуцера 3.
Для создания на стадии предварительного перемешивания более однородной водо-мазутной смеси за счёт увеличения скорости движения потока воды нижняя часть вертикального цилиндрического корпуса 1, в которой расположены осевой и тангенциальные штуцеры 2 и 3, может быть выполнена с более меньшим по сравнению с основной его частью диаметром в виде небольшой смесительной камеры, вынесенной из-под паровой рубашки 4 (как показано на фиг.1). В этом случае для исключения просыпания частиц мелкозернистого слоя 9 при его загрузке внутрь цилиндрического корпуса 1 между ним и смесительной камерой должна быть установлена сетка (на фигурах не показана).
Рабочую скорость водо-мазутной смеси поддерживают в диапазоне скоростей псевдоожижения частиц мелкозернистого слоя 9. При этом весь слой переходит в псевдоожиженное состояние по всей высоте цилиндрического корпуса 1, обеспечивая равномерное перемешивание водо-мазутной смеси во всём объёме псевдоожиженного слоя. Для повышения эффективности перемешивания в псевдоожиженном слое через штуцер 5 в паровую рубашку 4 подаётся греющий водяной пар, конденсат которого выводится через штуцер 6. Так как в верхней части цилиндрического корпуса 1 закреплён расширяющийся конический раструб 7, то скорость водо-мазутной смеси в нём резко уменьшается и становится меньше скорости псевдоожижения, что предотвращает унос частиц слоя мелкозернистого материала 9. Готовое водо-мазутное топливо, представляющее собой мелкодисперсную водо-мазутную эмульсию, выводится через штуцер 8.
Таким образом, использование в устройстве для приготовления водо-мазутного топлива паровой рубашки со штуцерами подачи водяного пара и отвода конденсата, закреплённой снаружи вертикального цилиндрического корпуса, закреплённого в верхней части корпуса расширяющегося конического раструба со штуцером вывода водо-мазутного топлива и расположенного внутри корпуса слоя мелкозернистого материала обеспечивает увеличение производительности.