УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ОТ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ, ВЛАГИ И ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДВУХФАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ
DEVICE FOR COMBUSTION PRODUCTS CLEANING FROM SOLID PARTICLES, MOISTURE AND TOXIC GASES OF COMBINED ENGINE WITH TWO-PHASE WORKING BODY

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для отделения водяных паров и твердых частиц от продуктов сгорания, очистки отработавших газов от вредных выбросов, а также уменьшения шума двигателя.
Известно применение в промышленности контактно-сепарационного элемента (Газовая промышленность. 1985. №6. С.14-15), содержащего осевой завихритель, цилиндр завихрителя с отверстиями для распыливания жидкости, сепаратор-отбойник, диафрагму и емкость для отсепарированной жидкости с погруженными в нее цилиндрами выше распыливающих отверстий. Пар поступает в цилиндр, завихряется там завихрителем, при этом через распылители в цилиндре поступает жидкость, которая распыливается под действием закрученного потока. В результате контактного теплообмена между каплями жидкости и паром происходит снижение температуры пара и его конденсация. Сохранившиеся капли и образовавшиеся вновь в результате конденсации пара движутся под действием центробежных сил к стенкам сепараторов-отбойников и там оседают на их поверхности, а затем стекают по ним в емкость для отсепарированной жидкости. Из этой емкости жидкость вновь поступает в распылители цилиндра под действием гидростатического давления.
Недостатками применяемого контактно-сепарационного элемента являются необходимость его установки в вертикальном положении для капель диаметром 5-10 мкм и меньше, а также невысокая скорость движения двухфазного потока на входе в сепаратор.
Наиболее близким к заявленному устройству для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом является способ выделения влаги и твердых частиц из продуктов сгорания и устройство для его реализации в поршневом двигателе внутреннего сгорания (патент RU 2227833, Кл. F01N 3/04). Это устройство совмещено с выпускным газопроводом, содержит сажеотделитель с осевым завихрителем, первый охладитель с осевым завихрителем, распылителем(ями) воды и поверхностным теплообменником, первый сепаратор с осевым или шнековым завихрителем. За этим сепаратором установлен турбодетандер, который соединен с компрессором, подающим воздух во впускной коллектор. К отводящему газопроводу этого турбодетандера подключен второй сепаратор с осевым или шнековым завихрителем. Этот сепаратор соединен со вторым охладителем, содержащим поверхностный теплообменник. При этом сажеотделитель связан газопроводом с одним из патрубков впускного коллектора, первый охладитель и сепаратор связаны с аккумулятором горячей воды водопроводами, вторые сепаратор и охладитель соединены с аккумулятором холодной воды тоже водопроводами. Применение нагнетателя за выпускным коллектором и перед первыми охладителем и сепаратором увеличивает абсорбцию вредных выбросов, повышает температуру конденсации водяных паров, снижает скорость движения газов в выпускном газопроводе и уменьшает размеры теплообменных аппаратов. Расположение турбодетандера между первыми охладителем и сепаратором и вторыми охладителем и сепаратором позволяет получить как горячую воду, так и холодную и накапливать их в разных емкостях. При этом для охлаждения продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров используется только холодная вода.
К недостаткам этого устройства относятся:
- сложная конструкция способа выделения влаги и твердых частиц из продуктов сгорания;
- конструкция не разработана для эффективного ее использования при работе двигателя на различных режимах;
- количество получаемой горячей воды будет преобладать над количеством выделяемой холодной воды из продуктов сгорания, причем охлаждение горячей воды не предусмотрено для компенсации убыли холодной воды.
Технический результат - создание устройства более компактного и легкого, способного работать эффективно и надежно в широком диапазоне нагрузок комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в известном устройстве способа выделения влаги и твердых частиц из продуктов сгорания, включающем в выпускном газопроводе за парогенератором и экономайзером охладитель, совмещенный с этим газопроводом, в начале которого располагается осевой завихритель, а в конце - диафрагма, между ними - распылитель за осевым завихрителем, при этом он сообщается через отверстия со сборной емкостью воды, а пространство между диафрагмой и осевым завихрителем образует резонансную камеру, за этим охладителем находится сепаратор, совмещенный с участком выпускного газопровода, в начале которого располагается осевой завихритель, а в конце диафрагма, при этом этот газопровод сообщается через отверстия со сборной емкостью воды, а пространство между диафрагмой и осевым завихрителем образует резонансную камеру, за этим сепаратором установлен турбодетандер, соединенный с компрессором для подачи воздуха во впускной коллектор, а за этим турбодетандером находится сепаратор-коагулятор со шнековым завихрителем между внутренним и наружным цилиндрами, а также слоеными пакетами из витых сеток, при этом эти цилиндры имеют патрубки для отвода газов, а их сборные емкости - для отвода воды, особенностью является то, что устройство содержит:
- расположенные один за другим подающий насос, фильтр, водовоздушный радиатор и водораспределительное устройство воды, соединенные между собой последовательно, а с охладителем, сепаратором и турбодетандером - параллельно водопроводами;
- распылитель(и) с распыливающим диффузором в расположенном вертикально газопроводе перед охладителем для распыливания воды, а также диффузор, подводящий продукты сгорания к осевому завихрителю вдоль оси этого охладителя, при этом размеры распылителя(ей) с распыливающим диффузором и этого завихрителя определяются такими, при приемлемых диаметре и длине охладителя, а также проходном сечении отверстия в диафрагме, большем проходного сечения выпускного газопровода, при которых количество распыливаемой воды становится наименьшим при охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- охладитель с такими диаметром и длиной при приемлемых размерах распылителя(ей) с распыливающим диффузором и завихрителя, при которых количество сливаемого конденсата в сборную емкость получается наименьшим при охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- охладитель, который имеет кроме диффузора для осевого подвода газов к завихрителю еще тангенциальный патрубок перед завихрителем для подачи отработанного пара и усиления завихрения двухфазного потока в его проточной части;
- охладитель, который имеет распылитель (форсунку) воды, установленный с его торца вдоль оси этого охладителя и впускной патрубок для подвода продуктов сгорания, расположенный к нему тангенциально в начале движения газов в этом охладителе, при этом размеры распылителя (форсунки), а также диаметр впускного патрубка определяются такими, при приемлемых размерах подающего насоса (давлении подачи), длине и диаметре этого охладителя, диаметре отверстия в диафрагме, большем диаметра выпускного газопровода, при которых расход воды на охлаждение продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров становится наименьшим при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- охладитель, диаметр и длина которого, а также диаметр его впускного патрубка определяются такими при приемлемых размерах распылителя (форсунки) и подающего насоса (давлении подачи), а также диаметре отверстия в диафрагме, большем диаметра выпускного газопровода, при которых количество стекающего конденсата в сборную емкость становится наименьшим при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор с отношением входной площади осевого завихрителя с лопатками к площади совмещенной части газопровода равным 0,8-0,9, отношением длины совмещенной части газопровода к его диаметру равным 3-4 и отношением площади проходного сечения диафрагмы к площади сечения совмещенной части газопровода, равным 0,7-0,8, при этом количество лопаток этого завихрителя определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги и работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор, имеющий в качестве закручивающего устройства в начале движения в нем газов тангенциальный патрубок, соединяющий последовательно охладитель и сепаратор, а также диафрагму, сборную емкость воды и отверстия в газопроводе для слива конденсата в эту емкость, причем размер этого патрубка, длина совмещенной части газопровода, а также диаметр отверстия в диафрагме для прохода газов определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги, а диаметр и количество отверстий в газопроводе - по количеству сливаемого через них конденсата при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор, установленный в вертикальном положении с нисходящим газожидкостным потоком, который имеет осевой завихритель с лопатками и проходным сечением равным 0,8-0,9 от проходного сечения совмещенной части газопровода, отбойный патрубок с проходным сечением равным 0,7-0,8 от проходного сечения совмещенной части газопровода, а также сборную емкость воды, соединенную отверстиями в газопроводе с проточной частью сепаратора, при этом длина совмещенной части газопровода и количество лопаток определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги, а диаметр и количество отверстий в газопроводе - по количеству сливаемого через них конденсата при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор, установленный в вертикальном положении с нисходящим газожидкостным потоком, который укомплектован самовращающимся завихрителем с лопатками, отбойным патрубком с проходным сечением больше проходного сечения выпускного газопровода, а также сборной емкостью воды для слива конденсата, при этом проходное сечение отверстий в совмещенной части выпускного газопровода достаточно для слива образующегося конденсата, ротор (центральное тело) завихрителя установлен консольно в торцовой стенке этого газопровода на радиально-упорном подшипнике и с зазором не более 0,5 мм между совмещенной частью выпускного газопровода и лопатками, продукты сгорания подведены к лопаткам завихрителя вдоль оси по диффузору, количество лопаток в завихрителе, длина и диаметр проточной части сепаратора определяются по стабильному наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- вращающийся ротор (центральное тело) с установленными на нем лопатками, который соединен через механическую передачу с электродвигателем, угловая скорость вращения которого определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор, подключенный к охладителю через расположенный к нему тангенциально впускной патрубок, при этом проходное сечение этого патрубка определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор, подключенный к охладителю через расположенный к нему тангенциально впускной патрубок, а вращающийся ротор (центральное тело) с установленными на нем лопатками, соединен через механическую передачу с электродвигателем, при этом угловая скорость вращения ротора и диаметр впускного патрубка определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме;
- сепаратор с проходным сечением на его входе, в котором средняя осевая скорость движения двухфазного потока не превышает 25 м/с при работе двигателя на номинальном режиме, причем проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора за турбодетандером определяется при средней фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньше 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе количества стекающего конденсата из охладителя, сепаратора, турбодетандера и сепаратора-коагулятора;
- сепаратор с нисходящим двухфазным потоком и самовращающимся осевым завихрителем с лопатками, а также таким проходным сечением на его входе, при котором средняя осевая скорость газожидкостного потока не превышает 120 м/с при работе двигателя на номинальном режиме, причем проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора за турбодетандером определяется при такой средней фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньше 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе количества стекающего конденсата из охладителя, сепаратора, турбодетандера и сепаратора-коагулятора;
- сепаратор с нисходящим двухфазным потоком и приводным осевым завихрителем с лопатками, а также таким проходным сечением на его входе, при котором средняя осевая скорость газожидкостного потока не превышает 120 м/с при работе двигателя на номинальном режиме, при этом проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора за турбодетандером определяется при такой фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньшей 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе количества стекающего конденсата из охладителя, сепаратора, турбодетандера и сепаратора-коагулятора;
- турбодетандер, который располагается за охладителем, а за ним находится фильтр-коагулятор, соединенный впускным патрубком с этим турбодетандером, а выпускным - с атмосферой и совмещенный с четырехугольным выпускным газопроводом, который содержит распределительный и приемный коллекторы с подводящими и отводящими патрубками соответственно, эти коллекторы соединены между собой секциями, которые отделены один от другого глухими стенками, в этих секциях устанавливаются вертикально и плотно к верхней и боковым стенкам этого газопровода пакеты из витых сеток, упирающихся внизу в желоба для сбора конденсата, благодаря чему продукты сгорания проходят через проходные сечения этих пакетов из распределительного коллектора в приемный, причем эти желоба соединены со сборной емкостью воды сливными водопроводами, проложенными через распределительный коллектор и нижнюю стенку четырехугольного выпускного газопровода;
- подводящие и отводящие патрубки распределительного и приемного коллекторов, которые так распределяются по секциям, соединяющим эти коллекторы, что средняя скорость движения газожидкостного потока относительно пакетов витых сеток в каждой секции не превышает 8 м/с при работе двигателя на номинальном режиме;
- подводящие и отводящие патрубки распределительного и приемного коллекторов, которые распределяются равномерно в нижней и верхней стенках четырехугольного газопровода в каждой секции для равномерного распределения скорости газожидкостного потока по фронтальной поверхности сеток, близкой к средней скорости, не превышающей 8 м/с, при работе двигателя на номинальном режиме, при этом расстояния между пакетами витых сеток и глухими стенками, а также диаметр, длина и количество этих патрубков определяются по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость этого фильтра-коагулятора;
- распределительный и приемный коллекторы, которые соединяются между собой подводящими и отводящими перфорированными отверстиями в верхней и нижней стенках четырехугольного выпускного газопровода каждой секции, при этом диаметр и количество этих отверстий в каждой секции определяются по одинаковой фронтальной средней скорости газожидкостного потока относительно пакетов витых сеток, не превышающей 8 м/с при работе двигателя на номинальном режиме;
- слоеные пакеты, в которых размеры между сетками, количество сеток в одном пакете, диаметр проволоки (нитки) и размеры ячеек определяются по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость воды при фронтальной средней скорости газожидкостного потока, не превышающей 8 м/с на номинальном режиме работы двигателя;
- газопровод, соединяющий сборную емкость воды с приемным коллектором для отвода газов, проходящих из секций по сливным водопроводам в эту емкость;
- слоеные пакеты из витых сеток, которые вставляются в четырехугольный выпускной газопровод, а при повышении давления газожидкостного потока перед фильтром-коагулятором выше допустимого значения при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме они снимаются для их очистки струей горячей воды или пара;
- турбодетандер, оснащенный сопловым направляющим аппаратом с регулируемым проходным сечением, который изменяет температуру конденсации водяных паров в охладителе путем регулирования там давления изменением своего проходного сечения в зависимости от колебания температуры наружного воздуха в диапазоне от -40°С до +40°С;
- сепаратор после охладителя с осевым завихрителем или самовращающимся осевым завихрителем, или приводным вращающимся осевым завихрителем, соединенный с впускным патрубком турбодетандера газопроводом, к выпускному патрубку этого турбодетандера подключен фильтр-коагулятор, выпускной патрубок которого соединен с атмосферой, при этом основные размеры этого сепаратора определяются для номинального режима работы двигателя, а для остальных режимов его работы, при которых количество распыливаемой воды в охладителе становится больше отделенной влаги в аппаратах, основные размеры фильтра-коагулятора по приемлемому снижению в нем давления на основном эксплуатационном режиме работы двигателя;
- фильтр-коагулятор, который располагается за охладителем, а за ним находится турбодетандер, соединенный впускным патрубком с фильтром-коагулятором, а выпускным - с атмосферой;
- водовоздушный радиатор, оснащенный вентилятором с регулируемой частотой вращения в зависимости от температуры охлажденной воды в водораспределительном устройстве и наружного воздуха, который соединен электросвязями с датчиками температуры воды в этом водораспределительном устройстве и наружного воздуха, а также датчиком частоты вращения вентилятора через логическое устройство;
- водораспределительное устройство, соединенное водопроводом с водяным распределительным насосом, который связан водопроводами с распылителями охладителя и впускного патрубка компрессора (впускного коллектора), а также питательным насосом, соединенным последовательно трубопроводами с теплообменником для подогрева питательной воды теплотой отработавшего масла и парогенератором, при этом для регулирования количества распыливаемой воды в охладителе установлен регулятор расхода на водопроводе, подводящем воду в его распылитель(и), который связан электросвязями через логическое устройство с датчиками температуры наружного воздуха и конденсата в этом охладителе, для регулирования количества распыливаемой воды во впускном патрубке компрессора (впускном коллекторе) установлен регулятор расхода на водопроводе, подводящем воду в его распылитель, который связан электросвязями через логическое устройство с датчиками давления и температуры горючей смеси во впускном коллекторе, а также частоты вращения коленчатого вала, для регулирования количества воды, подаваемой питательным насосом, установлен регулятор расхода на водопроводе, подводящем воду в парогенератор, который связан электросвязями через логическое устройство с датчиками температуры и давления пара на выходе из парогенератора;
- водораспределительное устройство холодной воды, которое связано с емкостью для содержания водного раствора аммиака трубопроводом, на котором установлен насос и регулятор расхода, соединенный электросвязью через логическое устройство с датчиками pH раствора холодной воды, забираемой из этого водораспределительного устройства распределительным насосом;
- водораспределительное устройство холодной воды, оснащенное паровоздушным клапаном, который открывается при повышении и понижении давления в этом устройстве относительно атмосферного, кроме этого оно содержит регулятор уровня воды, связанный с датчиком уровня через логическое устройство;
- водораспределительное устройство холодной воды, оснащенное сливным устройством, которое связано с датчиком температуры этой воды через логическое устройство;
- устройство автоматического пуска двигателя при снижении температуры воды за водовоздушным радиатором до температуры замерзания, которое связано с логическим устройством и датчиком температуры воды на выходе из этого радиатора через логическое устройство, причем это логическое устройство соединено еще с автоматическим устройством остановки двигателя после нагрева воды за водовоздушным радиатором до температуры конденсации водяных паров в охладителе при наибольшем проходном сечении направляющего соплового аппарата турбодетандера.
На фиг.1 показано устройство для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом. На фиг.2 изображено устройство охладителя с распылителем в распыливающем диффузоре и диффузором, подводящим продукты сгорания к завихрителю. На фиг.3 представлено устройство охладителя с распыливанием воды вдоль его оси и тангенциальным подводом в него продуктов сгорания. На фиг.4 показано устройство сепаратора с тангенциальным и осевым к нему подводом двухфазного потока. На фиг.5 изображено устройство сепаратора с нисходящим газожидкостным потоком и самовращающимся осевым завихрителем с лопатками. На фиг.6 представлено устройство сепаратора с нисходящим газожидкостным потоком и приводным осевым завихрителем с лопатками. На фиг.8 показано устройство и принцип действия фильтра-коагулятора. На фиг.7, 9 и 10 изображены варианты расположения фильтра-коагулятора в системе очистки и выпуска продуктов сгорания.
Устройство для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом содержит в выпускном газопроводе 1 за парогенератором или экономайзером охладитель 2 (фиг.1), совмещенный с этим газопроводом, в начале которого располагается осевой завихритель 3, а в конце - диафрагма 4, между ними - распылитель 5 за осевым завихрителем 3. Пространство между диафрагмой и осевым завихрителем образует камеру 6, которая сообщается через отверстия 7 в этом газопроводе со сборной емкостью воды 8. За этим охладителем находится сепаратор 9, совмещенный с участком выпускного газопровода 1, в начале которого располагается осевой завихритель 10, а в конце - диафрагма 11. Пространство между диафрагмой и осевым завихрителем образует камеру 12, которая сообщается через отверстия 13 со сборной емкостью воды 14. За этим сепаратором установлен турбодетандер 15, соединенный с компрессором 16 для подачи воздуха во впускной коллектор 17. За этим турбодетандером располагается сепаратор-коагулятор 18 со шнековым завихрителем 19, между внутренним 20 и наружным 21 цилиндрами, а также слоеными пакетами из витых сеток 22. Эти цилиндры имеют патрубки 23 и 24 для отвода газов, а также патрубки 25 и 26 для отвода воды. Подающий насос 27, фильтр 28, водовоздушный радиатор 29, водораспределительное устройство 30 располагаются один за другим и соединяются между собой последовательно водопроводами 31, 32 и 33, а с охладителем 2, турбодетандером 15 и сепаратором 9 - параллельно водопроводом 34.
Для охлаждения продуктов сгорания предлагается более простая конструкция охладителя 35 (фиг.2), которая содержит распылитель 36 с диффузором 37, расположенные в вертикальном газопроводе 38, а также диффузор 39, который подводит продукты сгорания к осевому завихрителю 40. Этот охладитель еще оснащен диафрагмой 41 и сборной емкостью воды 42. Размеры распылителя 36,
ох
ох
д.ох
ox
ох
вп.п
ох
ox
д.ох
ох
ох
вп.п
д.ох
в.г
диффузора 37 и завихрителя 40 определяются такими значениями, при приемлемых диаметре d и длине l охладителя, а также проходном сечении отверстия в диафрагме , большем проходного сечения выпускного газопровода , при которых количество распыливаемой воды становится наименьшим при охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и работы двигателя на основном эксплуатационном режиме. При известных размерах распылителя с диффузором и завихрителя, а также f размеры охладителя d и l определяются по наименьшему количеству конденсата, сливаемого в сборную емкость при охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров и работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. Охладитель 35 может быть укомплектован тангенциальным патрубком 43 перед завихрителем для подачи через него отработавшего пара и усиления завихрения двухфазного потока в его проточной части. В горизонтально расположенном охладителе 35 (фиг.3) распылитель (форсунка) 44 устанавливается с его торца для более равномерного распределения капель воды по его проточной части 45, а впускной патрубок 43 - тангенциально для завихрения продуктов сгорания и перемешивания их с каплями воды. В этом случае размеры распылителя (форсунки) 44, а также диаметр впускного патрубка d определяются такими значениями, при приемлемых размерах подающего насоса (давлении подачи), длине l и диаметре d охладителя, диаметре d отверстия в диафрагме 41, при которых расход воды на охлаждение продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров становится наименьшим при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. Диаметр d и длину l охладителя, а также диаметр d впускного патрубка 43 можно определить по наименьшему количеству конденсата, стекающего в сборную емкость 46 при приемлемых размерах распылителя 44 и подающего насоса (давлении подачи), а также диаметре d отверстия в диафрагме 41, большем диаметра d выпускного газопровода.
с
c
вп.п
с
д.с
с
сл
сл
п.от
в.г
сл
с
c
Для отделения влаги и твердых частиц из газожидкостного потока имеется сепаратор 47 (фиг.4) с отношением входной площади осевого завихрителя с лопатками 48 к площади совмещенной части газопровода  равным 0,8÷0,9, отношением длины совмещенной части газопровода l к его диаметру d равным 3÷4 и отношением площади проходного сечения диафрагмы к площади сечения совмещенной части газопровода  равным 0,7÷0,8, при этом количество лопаток этого завихрителя определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги и работе двигателя на основном эксплуатационном режиме (Р.К.Диаров, А.А.Овчинников и Н.А.Николаев. Устройства для сепарации и равномерного распределения многофазных потоков по технологическим аппаратам подготовки нефти. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980). В этом сепараторе 47 вместо осевого завихрителя с лопатками 48 может быть применен более простой по конструкции тангенциальный патрубок 49 для закручивания газожидкостного потока, соединяющий последовательно охладитель 35 и сепаратор 47. Он также содержит диафрагму 50, сборную емкость воды 51 и отверстия в газопроводе 52 для слива конденсата в эту емкость. Диаметр этого патрубка d, длина совмещенной части газопровода l, а также диаметр отверстия в диафрагме d определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги, а диаметр и количество отверстий 52 в газопроводе по количеству сливаемого через них конденсата при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. Для увеличения производительности сепаратора, а также увеличения допустимой средней осевой скорости движения газожидкостного потока в его проточной части более 25 м/с, этот сепаратор устанавливается в вертикальном положении с нисходящим двухфазным потоком и оснащается осевым завихрителем с лопатками 53 и проходным сечением  равным 0,8÷0,9 от проходного сечения совмещенной части газопровода , отбойным патрубком 54 с проходным сечением  равным 0,7÷0,8 от проходного сечения совмещенной части газопровода , а также сборной емкостью воды 55, соединенную отверстиями 56 в газопроводе с проточной частью сепаратора 57. При этом длина совмещенной части газопровода l и количество лопаток определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги, а диаметр d и количество i отверстий в газопроводе по количеству сливаемого через них конденсата при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. Для увеличения средней скорости движения газожидкостного потока на входе в сепаратор до 120 м/с устанавливается в него вместо неподвижного осевого завихрителя (фиг.5) самовращающийся завихритель с лопатками 53 (Энергетические установки высокоскоростных судов: В 3 ч. Ч3. Учебное пособие. / В.Л.Химич, Ю.П.Чернигин. // Нижегород. гос.техн. ун-т. - Нижний Новгород, 2005). Он комплектуется отбойным патрубком 54 с проходным сечением 0,785d, большем проходного сечения выпускного газопровода 0,785d, а также сборной емкостью воды 55 для слива конденсата. Диаметр отверстий d и их количество в совмещенной части выпускного газопровода делается достаточным для слива конденсата. Ротор этого завихрителя 58 устанавливается консольно в торцовой стенке 59 этого газопровода на радиально-упорном подшипнике 60 и с зазором не более 0,5 мм между совмещенной частью выпускного газопровода и лопатками, при этом продукты сгорания подводятся к лопаткам завихрителя вдоль оси по диффузору 61. Длина l и диаметр d проточной части сепаратора определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. Для уменьшения давления в выпускном газопроводе с целью повышения мощности двигателя вместо самовращающегося осевого завихрителя с лопатками устанавливается в сепаратор 47 (фиг.6) вращающийся завихритель 62 на радиально-упорном подшипнике 63 от электродвигателя 64 через механическую передачу 65. Угловая скорость вращения этого электродвигателя определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. При приводном завихрителе проще подводить продукты сгорания не через диффузор как на фиг.5, а через тангенциально расположенный патрубок 66 (фиг.6), в этом случае проходное сечение этого патрубка определяется по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме. При подводе продуктов сгорания через диффузор 61 (фиг.5), а отработавшего пара через тангенциальный патрубок 66 (фиг.6) угловая скорость вращения ротора завихрителя и диаметр впускного патрубка определяются по наибольшему количеству отделяемой влаги при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме.
Для того чтобы обеспечить высокую эффективность очистки продуктов сгорания на всех эксплуатационных режимах проходное сечение невращающегося осевого завихрителя сепаратора 47 (фиг.4) выбирают таким, чтобы скорость движения в нем газожидкостного потока не превышала 25 м/с, причем проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора 18 (фиг.1) за турбодетандером 15 определяется при такой средней фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньшей 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе количества стекающего конденсата из охладителя 2, сепаратора 9, турбодетандера15 и сепаратора-коагулятора 18.
С целью обеспечения высокой эффективности очистки продуктов сгорания на всех эксплуатационных режимах в двигателях, форсированных по частоте вращения коленчатого вала, устанавливают сепаратор с нисходящим двухфазным потоком и самовращающимся осевым завихрителем с лопатками 53 (фиг.5), а также таким проходным сечением на входе, при котором средняя осевая скорость газожидкостного потока не превышает 120 м/с при работе двигателя на номинальном режиме, при этом проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора 18 (фиг.1) за турбодетандером 15 определяется при такой средней фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньшей 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе 2, количества стекающего конденсата из охладителя 2, сепаратора 9, турбодетандера 15 и сепаратора-коагулятора 18.
С целью обеспечения не только эффективной очистки продуктов сгорания, но и эффективной работы двигателя на всех эксплуатационных режимах, двигатели, имеющие высокие обороты коленчатого вала, оснащают сепаратором с нисходящим двухфазным потоком 47 (фиг.6) и приводным завихрителем с лопатками 62, а также таким проходным сечением на его входе, при котором средняя осевая скорость газожидкостного потока не превышает 100 м/с при работе двигателя на номинальном режиме, при этом проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора за турбодетандером определяется при такой средней фронтальной скорости движения продуктов сгорания относительно этих сеток меньшей 8 м/с, которая возникает при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и большем количестве распыливаемой воды в охладителе 2 (фиг.1) количества стекающего конденсата из охладителя 2, сепаратора 9, турбодетандера 18 и сепаратора-коагулятора 18.
Для уменьшения количества аппаратов, участвующих в отделении влаги и твердых частиц от продуктов сгорания, турбодетандер 15 устанавливают за охладителем 2 (фиг.7), а за этим турбодетандером располагают фильтр-коагулятор 67, который соединяют впускным патрубком 68 с этим турбодетандером, а выпускным патрубком 69 - с атмосферой. Фильтр-коагулятор 67 (фиг.8) совмещен с четырехугольным выпускным газопроводом и содержит распределительный 70 и приемный 71 коллекторы с подводящими 72 и отводящими 73 патрубками соответственно. Эти коллекторы соединены между собой секциями 74, которые отделены один от другого глухими стенками 75. В этих секциях устанавливаются вертикально и плотно к верхней 76, нижней 77 и боковым 78 стенкам этого газопровода пакеты 79 из витых сеток, упирающихся внизу в желоба 80 для сбора и слива конденсата, благодаря чему продукты сгорания проходят через проходные сечения этих пакетов из распределительного коллектора 70 в приемный 71. Эти желоба соединены со сборной емкостью воды 81 сливными водопроводами 82, проложенными через распределительный коллектор 70 и нижнюю стенку 77 четырехугольного выпускного газопровода. Количество подводящих 72 и отводящих 73 патрубков (их проходные сечения) распределительного и приемного коллекторов так распределяются по секциям, соединяющим эти коллекторы, что средняя скорость движения газожидкостного потока относительно пакетов витых сеток в каждой секции не превышает 8 м/с при работе двигателя на номинальном режиме. В каждой секции подводящие 72 и отводящие 73 патрубки (их проходные сечения) распределяются равномерно в нижней 77 и верхней 76 стенках четырехугольного газопровода для равномерного распределения скорости газожидкостного потока по фронтальной поверхности сеток близкой к средней скорости, не превышающей 8 м/с, при работе двигателя на номинальном режиме. Расстояния между пакетами витых сеток и глухими стенками, а также диаметр, длина и количество этих патрубков определяются по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость этого фильтра-коагулятора. Для упрощения конструкции этого фильтра-коагулятора распределительный 70 и приемный 71 коллекторы соединяются между собой подводящими и отводящими перфорированными отверстиями в верхней и нижней стенках четырехугольного выпускного газопровода каждой секции. Диаметр и количество этих отверстий в каждой секции определяется по средней фронтальной скорости газожидкостного потока относительно пакетов витых сеток, не превышающей 8 м/с при работе двигателя на номинальном режиме. В слоеных пакетах размеры между сетками, количество сеток в одном пакете, диаметр проволоки (нитки) и размеры ячеек определяются по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость воды при допустимой средней фронтальной скорости газожидкостного потока, не превышающей 8 м/с, и работе двигателя на номинальном режиме. Этот фильтр-коагулятор содержит еще газопровод 83, соединяющий сборную емкость воды 81 с приемным коллектором 71 для отвода газов, проходящих из секций 74 по сливным водопроводам 82 в эту емкость. Слоеные пакеты из витых сеток 79 устроены так, что они свободно вставляются в корпус фильтра-коагулятора, а при повышении давления газожидкостного потока перед ними выше допустимого значения при работе двигателя на основном эксплуатационном режиме они снимаются для их очистки струей горячей воды или пара.
Для того чтобы можно было изменять температуру конденсации водяных паров в зависимости от колебания температуры наружного воздуха в диапазоне от -40°С до +40°С турбодетандер 15 (фиг.1) оснащают сопловым направляющим аппаратом 84 с регулируемым проходным сечением, который, изменяя свое проходное сечение, изменяет давление продуктов сгорания в охладителе, а следовательно, и температуру конденсации из них водяных паров. Он связан с датчиками давления и температуры двухфазного потока в этом охладителе через логическое устройство 85.
c
c
Установка одного влагоотделителя - фильтр-коагулятора 67 за турбодетандером 15 (фиг.7) позволяет очищать продукты сгорания во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок двигателя, но при этом возникают каплеударные нагрузки на лопатки турбины. Для устранения этих нагрузок устанавливается перед турбиной турбодетандера 15 сепаратор 47 после охладителя 2 (фиг.9) с осевым завихрителем, соединенный с впускным патрубком турбодетандера газопроводом, к выпускному патрубку этого турбодетандера подключен фильтр-коагулятор 67, выпускной патрубок которого соединен с атмосферой. Основные размеры этого сепаратора (l и d) определяются для номинального режима работы двигателя, а для остальных режимов его работы, при которых количество распыливаемой воды в охладителе становится больше отделяемой влаги в аппаратах, основные размеры фильтра-коагулятора - по наименьшему допустимому снижению в нем давления на основном эксплуатационном режиме работы двигателя. Другой вариант защиты лопаток турбины от каплеударных нагрузок - это расположение фильтра-коагулятора 67 (фиг.10) перед этой турбиной 15 за охладителем 2, при этом турбодетандер соединяется впускным патрубком с фильтром-коагулятором, а выпускным - с атмосферой. В этом случае срабатываемый теплоперепад в турбине будет больше по сравнению с тем, если бы фильтр-коагулятор стоял за этой турбиной.
Для охлаждения конденсата, подаваемого подающим насосом 27 (фиг.1) через фильтр 28, водовоздушный радиатор 29 оснащен вентилятором 86 с регулируемой частотой вращения в зависимости от температуры охлажденной воды за этим радиатором и наружного воздуха. Этот вентилятор соединен электросвязями с датчиками температуры воды за водовоздушным радиатором и наружного воздуха датчиком частоты вращения вентилятора, а также с логическим устройством 85.
Для сбора воды, поступающей из охладителя 2 (фиг.1), сепаратора 9 и турбодетандера 15, содержится водораспределительное устройство 30, соединенное водопроводом 87 с водяным распределительным насосом 88, который связан водопроводами 89, 90 и 91 с распылителями 5 и 92 охладителя 2 и впускного патрубка компрессора 16 (впускного коллектора 17), а также питательным насосом 93. Этот насос соединен последовательно трубопроводами 94 и 95 с теплообменником 96 для подогрева питательной воды теплотой отработавшего масла и парогенератором 97. Для регулирования количества распыливаемой воды в охладителе 2 установлен регулятор расхода 98 на водопроводе 89, который связан электросвязями через логическое устройство 85 с датчиками температуры наружного воздуха и конденсата в этом охладителе. С целью регулирования количества распыливаемой воды во впускном патрубке компрессора 16 (впускном коллекторе 17) установлен регулятор расхода 99 на водопроводе 90, который связан электросвязями через логическое устройство 85 с датчиками давления и температуры горючей смеси во впускном коллекторе, а также частоты вращения коленчатого вала. Для регулирования количества воды, подаваемой питательным насосом 93, установлен регулятор расхода 100 на водопроводе 94, который связан электросвязями через логическое устройство 85 с датчиками температуры и давления пара на выходе из парогенератора 97.
С целью снижения вредных выбросов с продуктами сгорания водораспределительное устройство 30 (фиг.1) соединено с емкостью для содержания водного раствора аммиака 101 трубопроводом 102, на котором установлен насос 103 и регулятор расхода 104, соединенный электросвязью через логическое устройство 85 с датчиками pH раствора холодной воды, забираемой из этого водораспределительного устройства распределительным насосом 88.
Для надежной работы устройства очистки продуктов сгорания водораспределительное устройство 30 (фиг.1) оснащено паровоздушным клапаном 105, который открывается при повышении и понижении давления в этом устройстве относительно атмосферного, кроме этого оно содержит регулятор уровня воды 106, связанный с датчиком уровня через логическое устройство 85.
С целью обеспечения высокой надежности работы устройства очистки продуктов сгорания водораспределительное устройство 30 оснащается сливным устройством 107 (фиг.1), которое связано с датчиком температуры воды на выходе из водовоздушного радиатора 29 через логическое устройство 85. Кроме этого оно содержит устройство 108 для автоматического пуска двигателя 109 при снижении температуры воды, сливаемой из водовоздушного радиатора до температуры замерзания. Это устройство связано с логическим устройством 85, а также с датчиком температуры воды на выходе из этого радиатора через логическое устройство 85. Это логическое устройство соединено еще электросвязью с устройством остановки двигателя, которое необходимо для прекращения его работы при повышении температуры воды на выходе из этого радиатора до температуры конденсации водяных паров в охладителе 2 при наибольшем проходном сечении направляющего соплового аппарата 84 турбодетандера 15.
Работа устройства для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом происходит следующим образом. Продукты сгорания из парогенератора или экономайзера с температурой 150÷160°С поступают по выпускному газопроводу 1 (фиг.1) в охладитель 2 для их охлаждения и конденсации из них водяных паров. В этом охладителе охлаждение выпускных газов происходит в результате нагрева распыленной распылителем 5 воды, подаваемой по водопроводу 89 насосом 88 из водораспределительного устройства 30. Для увеличения скорости теплообмена между каплями воды и продуктами сгорания увеличивают скорость их движения в этом охладителе закручиванием выпускных газов завихрителем 3. Количество распыливаемой воды в охладителе 2 зависит не только от его температуры, количества и скорости движения продуктов сгорания, но также необходимой температуры конденсации водяных паров, которая определяется температурой наружного воздуха. Чем выше температура наружного воздуха, тем выше должна быть температура конденсации водяных паров, в противном случае, возникнут проблемы с охлаждением конденсата воздухом до необходимой температуры в водовоздушном радиаторе, чтобы затем охлажденный конденсат можно было вновь использовать для охлаждения продуктов сгорания. При понижении температуры наружного воздуха требуемая температура конденсации водяных паров снизится, при которой образовавшийся конденсат можно охладить до необходимой температуры наружным воздухом. Логическим устройством 85 по температуре наружного воздуха определяется требуемая температура конденсации водяных паров, а по ней необходимое давление в конденсаторе, которое устанавливается логическим устройством 85 изменением проходного сечения направляющего соплового аппарата 84 турбодетандера. В этом конденсаторе происходит не только конденсация водяных паров, но и углеводородов, а также абсорбция окислов азота, серы и углерода. При содержании в охлаждающей воде растворенного аммиака, охлаждении продуктов сгорания этой водой ниже 140°С, а также работе двигателя при коэффициенте избытка воздуха большем 1 поглощение этих окислов водой увеличивается многократно, так как они сначала переходят в кислоты, а затем превращаются в соли аммония (удобрения), хорошо растворимые в воде. Попавшие на цилиндрическую стенку охладителя капли воды стекают по ней вниз, где проходя через отверстия 7, скапливаются в сборной емкости воды 14. Из этой емкости вода направляется по водопроводу 34 насосом 27 через фильтр 28 в водовоздушный радиатор 29 на охлаждение, из которого сливается в водораспределительное устройство 30. Из охладителя 2 двухфазный поток направляется в сепаратор 9, совмещенный с участком выпускного газопровода 1, который содержит осевой завихритель с лопатками 10. В этом сепараторе происходит отделение капель конденсата размером более 20 мкм, которые, попадая на цилиндрические стенки, стекают вниз через отверстия 13 и собираются в сборной емкости воды 14. Отсюда вода забирается насосом 27 и тоже подается на охлаждение в водовоздушный радиатор 29, откуда она стекает в водораспределительное устройство 30, также как из охладителя 2. Далее продукты сгорания направляются в турбодетандер 15, где они срабатывают в турбине, которая приводит компрессор 16, а этот компрессор подает воздух во впускной коллектор 17. В турбине происходит снижение температуры выпускных газов, а следовательно, еще большая конденсация водяных паров. Образовавшиеся капли воды благодаря действию центробежных сил осаждаются на стенках турбодетандера 15, затем собираются в емкость, откуда конденсат отводится по водопроводу 34 в водораспределительную емкость 30, также как из охладителя 2 и сепаратора 9. Из турбодетандера 15 продукты сгорания поступают в сепаратор-коагулятор 18, где происходит отделение более мелких капель размером менее 20 мкм. Отделенная влага собирается здесь в емкостях, а затем направляется по водопроводу 34 тоже в водораспределительную емкость 30, аналогично, как это делается при сливе конденсата из охладителя 2, сепаратора 9 и турбодетандера 15. Очищенные продукты сгорания из сепаратора-коагулятора 18 выходят в атмосферу.
При работе двигателя логическое устройство 85, в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, изменяет проходное сечение направляющего соплового аппарата 84 и тем самым изменяет давление газов в охладителе 2, а следовательно, температуру конденсации водяных паров. Образовавшийся конденсат из охладителя 2, сепаратора 9, турбодетандера 15 и сепаратора-коагулятора 18 направляется по водопроводу 34 насосом 27 в фильтр 28, где происходит очистка конденсата от твердых частиц. Очищенный конденсат поступает в водовоздушный радиатор 29 для его охлаждения наружным воздухом, который подается вентилятором 86. Частота вращения этого вентилятора регулируется тоже логическим устройством 85, в зависимости от температур конденсата, поступающего в водораспределительное устройстве 30, и наружного воздуха. Вода в этом устройстве разбавляется концентрированным водным раствором аммиака, который подается электронасосом 103 из емкости 101 по водопроводу 102 через регулятор расхода 104. Он регулирует pH раствора в водораспределительном устройстве 30 равным 10÷12 единицам путем изменения его проходного сечения с логического устройства 85. При уменьшении уровня воды в водораспределительном устройстве 30 паровоздушный клапан 105 пропускает воздух в это устройство, а при повышении - наоборот, выпускает паровоздушную смесь из него. При превышении уровня воды в водораспределительном устройстве 30 выше допустимого значения регулятор уровня воды сливает воду из него, а при уменьшении уровня воды ниже допустимого значения он подает сигнал на логическое устройство 85, который, уменьшая проходное сечение направляющего соплового аппарата 84, повышает температуру и давление конденсации водяных паров, что приводит к увеличению образующегося конденсата, а следовательно, повышению уровня воды в этом устройстве. Уменьшение уровня воды должно происходить в редких случаях, в обычных условиях уровень воды всегда будет больше требуемого благодаря конденсации водных паров из продуктов сгорания, образующихся при сжигании топлива. При очень низких температурах наружного воздуха и неработающем двигателе температура воды в водовоздушном радиаторе может снизиться до температуры ее замерзания. В этом случае срабатывает сливное устройство 107 по команде с логического устройства 85 и сливает воду не только из водораспределительного устройства 30, но и всей системы (охладителя 2, сепаратора 9, детандера 15, сепаратора-коагулятора 18, водовоздушного радиатора 29, теплообменника 96 для охлаждения отработавшего масла и парогенератора 97). Более простым вариантом защиты двигателя от замерзания - это его пуск для прогрева. При снижении температуры воды на выходе из водовоздушного радиатора 29 до температуры замерзания подается команда с логического устройства 85 устройству автоматического пуска двигателя 108, который запускает двигатель 109. В работающем двигателе, когда температура воды за этим радиатором повышается выше температуры конденсации водяных паров в охладителе 2, при наибольшем проходном сечении соплового направляющего аппарата 84 турбодетандера 85, то работа двигателя 109 прекращается автоматическим устройством остановки двигателя по сигналу с логического устройства 85.
Охлажденная вода вместе со скопившимися в водораспределительном устройстве 30 углеводородами забирается из его верхней части распределительным насосом 88 и подается по водопроводу 89 в распылитель 5 охладителя 2, распылитель 92 впускного коллектора 17 или впускного патрубка компрессора 16, а также питательному насосу 93. Количество подаваемой воды в охладитель 2 регулируется регулятором расхода 98, в зависимости от температуры конденсации водяных паров, которая определяется и устанавливается логическим устройством 85, в зависимости от температуры наружного воздуха. Количество подаваемой воды в распылитель 92 на охлаждение рабочего тела регулируется регулятором расхода 99 и составляет 0,5÷0,75 от цикловой подачи топлива (Патент RU 2370658, Кл. F02G 5/04, F01P 9/02) в зависимости от режима работы двигателя. Количество подаваемой воды питательным насосом 93 в теплообменник 96 для охлаждения отработавшего масла, а затем в парогенератор 97 для получения пара регулируется регулятором расхода 100 по температуре пара, выходящего из парогенератора 97, который составляет 550÷600°С в зависимости от режима работы двигателя, при этом поверхность теплообменника 96 определяется достаточной для охлаждения масла до температуры, при которой она подается на смазку и охлаждение узлов и деталей.
Работа двигателя с другими тепломассообменными аппаратами, описанными в устройстве очистки продуктов сгорания комбинированного двигателя, происходит аналогично. Применяются они в зависимости от назначения и технических характеристик двигателя, от количества и скорости движения продуктов сгорания в выпускном газопроводе, размеров отсека, где устанавливают двигатель, а также от требований, которые предъявляются к двигателю по топливной экономичности (эффективному КПД) и его стоимости.
Средства и методы, с помощью которых возможно осуществление пунктов формулы, изложены ниже.
щ
пaт
пaт
пaт
от
пaт
1
2
По реализации пункта 2 формулы изобретения изложено, что эффективность работы охладителя, применяемого для комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом, оценивается минимальным количеством воды, потребным для охлаждения продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров при наименьшем его сопротивлении движению продуктов сгорания. Чем меньше будет размер капель воды и больше скорость их движения относительно воздуха, тем они быстрее будут нагреваться, а следовательно, меньше потребуется воды для охлаждения продуктов сгорания. При этом должно происходить частичное, а не полное испарение капель. Размеры капель определяются не только скоростью истечения струи воды из распылителя, но и скоростью движения газов относительно этой струи и образовавшихся капель. Следовательно, вторичное разделение и распыливание капель может происходить как в диффузоре, так и в камере охладителя. При достижении критического значения критерия Вебера для капли происходит ее деление на две капли или возникает ее распыливание на множество капель (см. книгу «Подача и распыливание топлива в дизелях» И.В.Астахова, В.И.Трусова, А.С.Хачияна и др. - М.: Машиностроение, 1971). Таким образом, задача определения размеров охладителя сводится к определению поступательной и тангенциальной скоростей движения в нем газов при минимальном его сопротивлении. Чем меньше сопротивление движению газов в охладителе, тем выше КПД двигателя. Чем выше скорость движения газов в диффузоре и камере охладителя, тем меньше размер капель, а следовательно, и меньше потребное количество воды для охлаждения продуктов сгорания, но при этом может увеличиться сопротивление движению газов в этом охладителе. Поэтому в изобретении предусмотрено определение приемлемых значений поступательной скорости движения газов как в диффузоре, куда выходит распылитель, так и тангенциальной скорости движения газов в камере охладителя путем проведения экспериментов с различными размерами распылителя, диффузора и завихрителя, а также диаметрами и длинами камеры охладителя. Наименьшее количество расходуемой воды будет зависеть не только от интенсивности теплообмена между каплями воды и газами, но также от ухода мелких капель через отверстие в диафрагме в сепаратор. Для проведения экспериментов размеры цилиндрического распылителя должны быть не менее 0,5 мм, в противном случае он будет забиваться твердыми частицами. Остальные исходные размеры охладителя для проведения опытов должны определяться из условия наиболее качественной сепарации капель воды в охладителе по данным, изложенным в [Даров Р.К. и др. Устройство для сепарации и равномерного распределения многофазных потоков по технологическим аппаратам подготовки нефти: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980]. По этому источнику отношение входной площади закручивающего устройства к площади сечения патрубка (сечения камеры) F/F=0,8÷1,0, отношение длины патрубка к диаметру L/d=3÷4, отношение площади между стенкой патрубка и отбойным патрубком (отверстием диафрагмы) к площади патрубка F/F=0,2÷0,3 и отношение диаметра сердечника завихрителя к диаметру патрубка d/d=0,5÷0,6. Остальные размеры завихрителя для проведения экспериментов определяются по формулам в [Приходько В.П. и др. Центробежные каплеуловители с лопастными завихрителями: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980]. При реализации п.2 формулы все размеры охладителя определяются по минимальному количеству распыливаемой воды на основном режиме работы и охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров. Приемлемое сопротивление охладителя следует считать такое, которое не приведет к уменьшению эффективного КПД двигателя с турбодетандером больше 1%. Наименьшее количество распыливаемой воды будет только у одного испытанного варианта охладителя по сравнению с остальными вариантами.
Пункт 3 формулы изобретения реализуется также как пункт 2 формулы, только здесь размеры охладителя определяются по наименьшему количеству конденсата, сливаемого в сборную емкость. Чем меньше образуется этого конденсата, тем меньше будут размеры капель и выше эффективность их нагрева при охлаждении продуктов сгорания до температуры конденсации водяных паров. Может получиться и так, что количество распыливаемой воды тоже будет наименьшим.
Пункт 5 формулы изобретения реализуется также путем проведения экспериментов с различными вариантами охладителя. Для их разработки необходимо изначально задаться двумя или тремя диаметрами отверстия в диафрагме, большими или равными диаметру выпускного газопровода. Затем по этим диаметрам определить диаметры и длину камеры охладителя по вышеизложенным соотношениям. При реализации этого пункта роль завихрителя выполняет тангенциальный впускной патрубок. Его диаметр определяется из условия, что он в камере охладителя будет создавать такую тангенциальную скорость движения газов, какую создает завихритель при реализации пункта 2 формулы изобретения. Расчет размеров тангенциального впускного патрубка может быть произведен по формулам, изложенным в [Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков.: Институт технической теплофизики. - Киев: Наука думна, 1989], а также в [Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982]. Для этого охладителя изначальный диаметр распылителя для проведения экспериментов будет равным или большим 0,5 мм для исключения его забивания. Максимальное давление подачи воды не должно превышать 2 МПа для предотвращения эрозионного износа сопла распылителя [Форсунки редукционно-охладительных установок: НИИэкономики, вып.7, 1986]. При проведении экспериментов с различными размерами впускного патрубка камеры охладителя, распылителя, а также насоса, обеспечивающего давления подачи до 2 МПа, должны производиться измерения расхода воды на охлаждение продуктов сгорания. Наилучший вариант охладителя определится по этому наименьшему расходу. Размеры насоса определятся по количеству воды, необходимой для охлаждения продуктов сгорания после парогенератора со 150÷160°С до температуры конденсации водяных паров в охладителе. Расчетные размеры насоса и будут приемлемыми.
Пункт 6 формулы изобретения реализуется также как и пункт 5, только наилучший вариант охладителя здесь определится по наименьшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость.
Пункт 7 формулы изобретения реализуется путем проведения экспериментов с завихрителями, имеющими различное количество лопаток (от 4 до 10), устанавливаемые на сепараторе с определенными его размерами. При этом оптимальное количество лопаток определяется по наибольшему количеству влаги, отделяемой в сепараторе с различными вариантами завихрителя. В этом случае гидравлическое сопротивление этого сепаратора не должно уменьшать эффективный КПД двигателя с турбодетандером не более чем на 1%.
При реализации пункта 8 формулы изобретения размеры сепаратора, определенные по п.7, могут быть уточнены путем проведения экспериментов с различными диаметром отверстия в диафрагме, диаметром и длиной сепаратора. Проходное сечение тангенциального патрубка может быть определено путем проведения экспериментов с патрубками, имеющими минимальный диаметр, равный диаметру выпускного газопровода, а максимальный в 1,5 раза больше минимального, при этом приемлемый диаметр этого патрубка определится по наибольшему количеству отделяемой влаги. Диаметр и количество отверстий в газопроводе (их проходные сечения) тоже определятся путем проведения экспериментов с различным проходным сечением этих отверстий при наибольшем количестве отделяемой влаги. Приемлемым проходным сечением будет такое сечение, при котором будет стекать со стенок газопровода вся жидкость в емкость для ее сбора. По известному проходному сечению определятся диаметр отверстий и их количество в этом газопроводе. Для проведения экспериментов проточная часть сепаратора может быть выполнена прозрачной.
В пункте 9 формулы изобретения определение количества лопаток и длины совмещенной части газопровода предусмотрено экспериментально. Для этого изготавливаются сепаратор со сборными завихрителем и проточной частью. Комплектуется это сепаратор завихрителями, содержащими от 4 до 10 лопаток и проточной частью длиной равной 3 и 4 диаметрам выпускного газопровода. При проведении экспериментов производится измерение количества отделяемой влаги. Приемлемый вариант сепаратора определяется по наибольшему количеству этой влаги. Диаметр и количество отверстий в газопроводе определяются экспериментально по определенному наибольшему количеству отделяемой влаги и отсутствию накопления воды в проточной части сепаратора. Наибольшие и наименьшие значения отделяемой влаги устанавливаются при проведении экспериментов с различными вариантами сепаратора. Для проведения экспериментов стенки проточной части могут быть выполнены прозрачными.
По реализации пункта 10 формулы изобретения изложено, что достаточное проходное сечение - это такое сечение, когда внутри проточной части сепаратора не накапливается влага. Количество отделяемой влаги зависит от количества лопаток, длины и диаметра проточной части сепаратора, а не наоборот. Стабильное количество отделяемой влаги - это когда сепаратор работает нормально, не захлебываясь от накопления в нем влаги. Наибольшее количество влаги и, соответственно, и наименьшее появляются тогда, когда проводятся эксперименты с различными вариантами завихрителя, а также размерами проточной части сепаратора. При реализации пункта 10 формулы и проведения экспериментов диаметр проточной части принимается равным диаметру выпускного газопровода или больше его, а длина - равной 3 или 4 диаметрам проточной части сепаратора. Завихрители для этих целей изготавливаются с 4-10 лопатками.
По реализации пункта 11 формулы изобретения изложено, что наибольшее количество отделяемой влаги зависит от угловой скорости вращения ротора, а не наоборот, определяется это количество влаги путем проведения экспериментов при изменении его частоты вращения от 1000 до 10000 об/мин. Поднимать обороты завихрителя выше 10000 об/мин не рекомендуется по условиям надежной работы подшипника ротора завихрителя. Построив график изменения количества отделяемой влаги от частоты вращения, можно определить частоту вращения ротора, при которой получается наибольшее количество отделяемой влаги. Строится этот график для основного эксплуатационного режима.
При реализации пункта 12 формулы изобретения проводятся эксперименты на основном эксплуатационном режиме с различными проходными сечениями впускного патрубка. Исходное значение этого сечения принимается равным сечению выпускного газопровода, затем это сечение увеличивается до полутора сечений выпускного газопровода. После проведения экспериментов строится график изменения количества отделяемой влаги от размера сечения этого патрубка, при этом приемлемое сечение этого патрубка определится по наибольшему количеству отделенной воды.
Для реализация пункта 13 формулы изобретения необходимо провести эксперименты на основном эксплуатационном режиме с различными диаметрами впускного патрубка, равными или большими диаметра выпускного газопровода, при различных частотах вращения ротора в диапазоне от 1000 до 10000 об/мин, при этом необходимо производить измерение количества отделяемой влаги. По наибольшему его значению определяется как диаметр впускного патрубка, так и частота вращения ротора завихрителя.
При реализации пункта 14 формулы изобретения проходное сечение на входе в сепаратор рассчитывается по расходу газов через выпускной газопровод двигателя и допустимой скорости 25 м/с на входе в сепаратор. Проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора также вычисляется по расходу газов через выпускной газопровод и допустимой средней фронтальной скорости движения газов, равной или меньше 8 м/с. Затем по расчетному проходному сечению определяются размеры сеток и количество их слоев. Для этого используется проходное сечение единицы площади сетки, которая дается в ГОСТе или ТУ на эту сетку, а также расчетные зависимости для слоев сеток, приводимых в справочниках по гидравлическим сопротивлениям (см. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975). Расход газов через выпускной газопровод как рассчитывается, так и определяется экспериментально.
При реализации пункта 15 формулы изобретения проходное сечение на входе в сепаратор рассчитывается также, как при реализации пункта 14, только здесь вместо 25 м/с используется 120 м/с. Проходное сечение слоеных пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора при реализации этого пункта определяется точно так, как при реализации предыдущего пункта.
При реализации пункта 16 формулы изобретения проходное сечение на входе в сепаратор определяется также, как при реализации пункта 15, а проходное сечение пакетов из витых сеток сепаратора-коагулятора находится точно также, как при реализации пунктов 14 и 15.
При реализации пункта 18 формулы изобретения фильтр-коагулятор проектируется в зависимости от размеров места его расположения. В отсеке двигателя транспортного средства это место ограничено. Для проектирования этого фильтра-коагулятора для создаваемого двигателя, у которого уже известен расход газов через выпускной газопровод, необходимо задаться количеством секций в зависимости от размеров, где он расположится. Расчеты необходимо произвести для нескольких секций. В результате расчетов определяются предполагаемые размеры фильтра-коагулятора - высота, ширина и длина. Чем больше секций, тем больше его длина, но меньше его высота и ширина. При неизменной его длине может быть уменьшена высота, но увеличена ширина и наоборот. Проходное сечение всех патрубков во всех секциях не должно быть меньше проходного сечения выпускного газопровода. Затем, задавшись диаметром патрубков, можно определить количество патрубков и затем их равномерно распределить по секциям. Размеры пакетов витых сеток определяются аналогично, как при реализации пунктов 14, 15 и 16 формулы при известной скорости газожидкостного потока, не превышающей 8 м/с и работе двигателя на номинальном режиме. Отбираются из числа спроектированных фильтров-коагуляторов варианты с приемлемыми габаритными размерами для проведения испытаний. При испытании этого фильтра-коагулятора количество действующих патрубков в каждой секции уточняется по измеренному расходу газов, проходящих через каждую секцию. В первой секции по ходу движения газов их будет меньше потому, что напор будет больше, а по мере удаления от первой секции напор будет уменьшаться, а количество патрубков увеличиваться. Разница в количестве патрубков будет небольшой, так как продукты сгорания к секциям подводятся параллельно. При проведении испытаний уменьшение количества впускных и выпускных патрубков может производиться путем установки на них пробок или крышек.
При проведении экспериментов, для реализации пункта 19 формулы изобретения, необходимо в начале проведения испытаний подводящие и отводящие патрубки расположить на одинаковом расстоянии между собой, а от глухих стенок на половине этого расстояния между ними для равномерного распределения скорости газожидкостного потока по фронтальной поверхности сеток. Далее путем проведения экспериментов с вариантами фильтра-коагулятора, изготовленными с различными расстояниями между пакетами витых сеток и глухими стенками, определяются приемлемые значения этих расстояний по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость воды при работе двигателя на номинальном режиме. После определения этих расстояний уточняются длина, диаметр и количество подводящих и отводящих патрубков. Для этого изготавливаются фильтры-коагуляторы с различными размерами патрубков и их количеством. Приемлемые размеры патрубков и их количество определяются при испытаниях по наибольшему количеству стекающего конденсата. Если есть варианты фильтров-коагуляторов, то при проведении их испытаний появятся как наибольшее, так и наименьшее количества стекающего конденсата.
В пункте 20 формулы изобретения фронтальная скорость газожидкостного потока, не превышающая 8 м/с, обеспечивается также, как при реализации пункта 14 формулы. Приемлемые количество и диаметр перфорированных отверстий для прохода газа определяются аналогично, как при реализации пункта 18 с подводящими и отводящими патрубками тоже для прохода газов.
При реализации пункта 21 формулы изобретения фронтальная скорость движения газожидкостного потока, не превышающего 8 м/с, определяется аналогично, как при реализации пункта 14 формулы. Для определения в слоеных пакетах размера между сетками, количества сеток в одном пакете, диаметра проволоки (нитки) и размера ячеек изготавливаются варианты фильтра-коагулятора. Для проведения испытаний этих вариантов используется метод планирования эксперимента. Приемлемые значения размеров слоеных пакетов определятся после проведения экспериментов по наибольшему количеству стекающего конденсата в сборную емкость.
При реализации пункта 25 формулы изобретения основными размерами сепаратора являются те размеры, которые определяются при реализации пунктов 7, 8, 9, 10, 12 и 13. Основные размеры фильтра-коагулятора определяются при реализации пунктов 19, 20 и 21. Основные размеры сепаратора зависят от расхода газов на номинальном режиме работы. При больших оборотах двигателя и расходах выпускных газов работает эффективно сепаратор, а фильтр-коагулятор - нет, а при низких оборотах и расходах газов, наоборот, работает эффективно фильтр-коагулятор, а сепаратор работает не эффективно, при промежуточных оборотах и расходах газов работают оба - сепаратор и фильтр-коагулятор. Когда количество распыливаемой воды становится больше отделяемой, то есть вода в системе начинает убывать, а расход газов еще больше снижается, более эффективно должен начинать работать фильтр-коагулятор благодаря своей конструкции. Обороты двигателя и расход газов, при которых начинает убывать в системе вода, могут определяться экспериментально при проведении испытаний этих аппаратов на двигателе. Для этого режима работы должны быть определены основные размеры фильтра-коагулятора, чтобы вода в системе не убывала с уменьшением оборотов двигателя и расхода газов.
Преимущества разработанного устройства для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом заключается в следующем:
- разработана более простая конструкция устройства для очистки продуктов сгорания от твердых частиц, влаги и токсичных газов в зависимости от назначения и режима работы двигателя, а также условий его эксплуатации;
- конструкция работает надежно на всех эксплуатационных режимах и обеспечивает двигатель достаточным количеством холодной воды, необходимой для охлаждения продуктов сгорания при колебаниях температуры наружного воздуха от -40°С до +40°С.