РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ
ROTARY-PULSATION UNIT FOR PREPARATION OF WATER-FUEL EMULSION

Изобретение относится к устройствам для диспергирования, гомогенизации и перемешивания двух взаимно нерастворимых жидкостей и может быть использовано при производстве водно-топливных эмульсий. Данный роторно-пульсационный аппарат совмещает функции диспергатора, гомогенизатора, насоса и дозатора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является роторно-пульсационный аппарат (см. патент RU №2152819 C1 МПК7 B01F 5/00), содержащий привод и установленные в корпусе ротор и статор, на рабочих поверхностях которых выполнены зубчатые элементы, представляющие собой концентрично расположенные по окружности ряды, состоящие из выступов и впадин. Роторно-пульсационный аппарат снабжен входными лопатками насоса, жестко прикрепленными к рабочей поверхности ротора, и выходными лопатками насоса, являющимися выступами последнего ряда зубчатого элемента ротора, толщина которых больше толщины выступов предыдущих рядов зубчатого элемента ротора, и имеет кольцевые канавки, выполненные между рядами зубчатых элементов ротора и статора, в которых размещены соответственно выступы зубчатых элементов статора и ротора, при этом количество выходных лопаток насоса больше количества входных лопаток насоса. Входные лопатки насоса выполнены по длине одинаковой или различной высоты и толщины, а выступы и впадины каждого предыдущего ряда зубчатых элементов ротора и статора смещены по окружности относительно предыдущего ряда, причем количество выступов в рядах зубчатых элементов увеличивается от центра к периферии. Количество впадин и центральные углы впадин зубчатых элементов ротора и статора имеют разную величину.
Недостаток известного роторно-пульсационного аппарата заключается в недостаточной степени дисперсности при получении водно-топливных эмульсий на основе бензина и воды, так как данная конструкция является мало эффективной при перемешивании двух взаимно нерастворимых жидкостей с большой разницей по плотности. При течении в аппарате рассматривается несжимаемая ньютоновская жидкость, а водно-топливная эмульсия обладает вязкостью, отличающейся от вязкости ньютоновских жидкостей. Водно-топливные эмульсии, являясь неньютоновскими жидкостями, начинают течь только тогда, когда преодолевается сопротивление течению структурой эмульсии. Данный роторно-пульсационный аппарат не позволяет автоматически дозировать содержание одного компонента относительно объема другого, так как он забирает заранее отдозированную смесь топлива и воды из какой-то емкости.
Техническим результатом изобретения является: возможность автоматической дозировки содержания водно-топливной смеси, а также повышение качества показателей дисперсности и гомогенизации приготавливаемой водно-топливной эмульсии.
Указанный технический результат достигается тем, что роторно-пульсационный аппарат для приготовления водно-топливной эмульсии содержит привод и установленные в корпусе ротор и статор, на рабочих поверхностях которых выполнены зубчатые элементы, представляющие собой концентрично расположенные по окружности ряды, состоящие из выступов и впадин, снабжен входными лопатками насоса, жестко прикрепленными к рабочей поверхности ротора, выходными лопатками насоса, являющимися выступами последнего ряда зубчатого элемента ротора, и имеет кольцевые канавки, выполненные между рядами зубчатых элементов ротора и статора, в которых размещены соответственно выступы зубчатых элементов статора и ротора. На входе в аппарат установлен дозатор-кавитатор, выполненный в виде цилиндра, имеющего осевой канал подачи топлива и не менее двух осевых каналов подачи воды, при этом канал подачи топлива и каналы подачи воды соединены между собой радиальными отверстиями, число которых соответствует числу каналов подачи воды, входы каналов подачи воды имеют общую кольцевую проточку, которая соединена через отверстие, выполненное в статоре, с емкостью для воды.
Сущность данного изобретения заключается в том, что с помощью дозатора-кавитатора в роторно-пульсационном аппарате для приготовления водно-топливной эмульсии компоненты дополнительно перемешиваются при автоматической их дозировке.
Схема роторно-пульсационного аппарата для приготовления водно-топливной эмульсии, представлена на фиг.1, где обозначено: 1 - корпус; 2 - статор; 3 - входные лопатки насоса; 4 - ряд зубчатых элементов; 5 - выходные лопатки насоса; 6 - сальник; 7 - вал; 8 - ротор; 9 - дозатор-кавитатор; 10 - винт; 11 - выпускной патрубок; 12 - осевой канал подачи топлива; 13 - отверстие для воды; 14 - осевой канал подачи воды; 15 - соединение статора с дозатором-кавитатором; 16 - кольцевая проточка; 17 - радиальное отверстие.
Дозатор-кавитатор 9 установлен на входе в аппарат и выполнен в виде цилиндра, имеющего осевой канал для подачи топлива 12 и не менее двух осевых каналов подачи воды 14. При этом каждый канал подачи топлива 12 и канал подачи воды 14 соединены между собой радиальным отверстием 17. Число радиальных отверстий 17 соответствует числу каналов подачи воды 14. Входы каналов подачи воды 14 имеют общую кольцевую проточку 16, которая соединена через отверстие, выполненное в статоре 13, с емкостью для воды.
1
c
2
Процесс автоматической дозировки компонентов водно-топливной смеси поясняется схемой, представленной на фиг.2. Топливо под давлением подается в осевой канал подачи топлива 12 и далее в радиальное отверстие 17. При этом в сечении a-a (точка P), за счет сужения осевого канала 12, переходящего в радиальное отверстие 17, происходит сжатие струи от размера d до размера d, показанного в сечении c-c (точка P). В результате этого образуется зона А, куда, через осевой канал подачи воды засасывается вода с помощью образовавшегося в этой зоне А вакуума. Осевой канал подачи воды 14 соединен через кольцевую проточку 16 и отверстие для воды 13 с емкостью для воды. Таким образом, вода будет далее увлекаться за струей топлива и на выходе дозатора-кавитатора 9 будет грубодисперсная водно-топливная эмульсия. Зона А появляется вследствие кавитационного разрыва жидкости и здесь будут образовываться кавитационные «пузырьки», которые по мере их прохождения по осевому отверстию 17 будут захлопываться образуя дополнительное перемешивание за счет явления «микровзрывов» при схлопывании. Это позволяет обеспечить дополнительное дробление и перемешивание капель водно-топливной эмульсии, что улучшает качество приготавливаемой эмульсии.
Роторно-пульсационный аппарат для приготовления водно-топливной эмульсии работает следующим образом. Топливо подается под давлением в дозатор-кавитатор 9, в котором проходящая струя топлива увлекает за собой воду, и эти два компонента в нем дополнительно перемешиваются. Далее эта композиция подается на входные лопатки ротора 3, которые за счет центробежных и поступательных сил направляют компоненты на зубчатые элементы 4, 5 ротора 8 и статора 2 и проталкивают их через впадины зубчатых элементов к выходным лопаткам 5 насоса. При вращении происходит частое перекрытие впадин зубчатых элементов 4 статора 2 и ротора 8, при этом подаваемая водно-топливная эмульсия подвергается воздействию кавитационных, механических, пульсационных явлений, возникающих при этом турбулентном движении, что обеспечивает получение диспергированной и гомогенизированной эмульсии. Выходные лопатки 5 насоса сообщают водно-топливной эмульсии кинетическую энергию и удаляют ее через выпускной патрубок 11.
Проведенные экспериментальные исследования показывают, что при прохождении воды через дозатор-кавитатор размер диаметра капель компонентов составляет 20 мкм, а при прохождении через сам аппарат размер диаметра капель водно-топливной эмульсии получается меньше 1 мкм. Следовательно, такой размер капель водно-топливной эмульсии возможно получить при одном цикле прохождения через роторно-пульсационный аппарат.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство для приготовления водно-топливной эмульсии, основанное на принципе предварительного смешивания с одновременной дозировкой компонентов за счет применения дозатора-кавитатора.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, так как дозатор-кавитатор обеспечивает наиболее эффективную и экономичную при тех же режимах работу роторно-пульсационного аппарата.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы недорогостоящие, легко изготавливаемые детали.