УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Полезная модель относится к области нефтепереработки и нефтехимии и может использоваться в задачах более эффективного применения нефтепродуктов, в частности тяжелых газойлей и мазута в качестве топлива.
Еще в 1981 году была показана эффективность использования водно-топливной эмульсии. В работе [1] представлены результаты экспериментов по горению одиночных капель дизельного топлива и его водных эмульсий. Определяющие параметры в этих экспериментах изменялись в широких пределах: объемная доля воды (0-0.3), концентрация поверхностно-активного вещества (ПАВ) (0-0.05), начальная температура жидкости (298-380 К), температура газа в камере сгорания (400-950 К), давление в камере сгорания (0.44-3.92 МПа), концентрация кислорода в камере сгорания (0.16-0.75). Начальный диаметр капель эмульсии был равен 1600 мкм. Средний диаметр капель воды в эмульсии 2 мкм. Экспериментальные результаты показывают, что капли эмульсии горят с микровзрывом. Степень фрагментации капель эмульсии возрастает с увеличением содержания воды, концентрации ПАВ, начальной температуры жидкости, концентрации кислорода и температуры в камере сгорания, но слабо зависит от давления. При низких содержаниях воды наблюдалась лишь слабая тенденция к микровзрыву. Капли эмульсии воспламенялись труднее, чем капли чистого горючего. Для них наблюдалось более короткое пламя в следе, чем для капель чистого топлива. Кроме того, их пламя имело светло-желтый цвет, неровные края, обнаруживало внезапные изменения ширины и длины и спорадические расщепления на несколько пламен.
Таким образом, значительную часть времени жизни капли в водно-топливной эмульсии занимает период теплового расширения, вызванного образованием и расширением паровых пузырьков внутри капли. Другой, относительно короткий период, связанный с быстрым уменьшением размера капли, может условно трактоваться как период ее микровзрыва. При горении капли водно-топливной эмульсии образуется меньшее количество сажи, CO и NO, чем при горении капли чистого топлива. Оптимальным соотношением между топливом и водой является 20:1 (5% воды по объему).
Существуют различные способы приготовления водно-топливной эмульсии.
Известен патент РФ №2320709, C10L 1/32, 27.03.2008 на «Способ получения топливной эмульсии». Способ получения топливной эмульсии из углеводородной топливной основы и воды, имеющей в своем составе поверхностно-активное вещество и модификатор, включающий смешение углеводородной основы с водой, поверхностно-активным веществом и модификатором, отличается тем, что в качестве модификатора используют водорастворимые окислители и их смешивают с водой перед вводом в топливную эмульсию.
Недостатком указанного способа является необходимость химических добавок и применение дозирующих устройств для введения их в топливо.
Существует патент РФ №2119529, МПК 6 C10L 1/32, 27.09.1998, на способ приготовления водно-мазутной топливной эмульсии. Сущность изобретения состоит в том, что диспергирование обводненного мазута производят воздействием на водно-мазутную смесь акустических колебаний интенсивностью 50-150 Вт/см2, частотой 4-6 кГц. Также известные другие ультразвуковые установки [2] дают качественные смеси топлива, но имеют малую производительность, ненадежны в работе и требуют повышенных энергозатрат.
Таким образом, недостатком такого типа изобретений является использование дорогостоящего оборудования с большим потреблением электрической энергии.
Известен способ приготовления эмульсий с помощью трансзвукового устройства, содержащего сопло для подачи рабочей среды, средства для подачи эмульгируемых компонентов и камеру смешения (патент SU 1669519 A1, МПК5 B01F 5/04, A23C 11/00, публ. 1991). В этом устройстве в качестве рабочей среды используется пар, и недостатком, ограничивающим применение этого устройства, является уменьшенный диапазон соотношения рабочей и гомогенизируемой среды, так как пар, обладая высокой теплоемкостью, уже при содержании его в смеси более 10% приводит к значительному повышению температуры смеси и объемного содержания паровой (газовой) составляющей в смеси, в результате чего резко увеличивается скорость звука в смеси (уменьшается ее сжимаемость) перед скачком давления, что резко уменьшает интенсивность скачка давления и приводит к ухудшению качества получаемой эмульсии.
Известен также смеситель для приготовления водотопливной эмульсии, содержащий камеру смешения, а также топливное и водяное сопла для подачи соответствующих сред в камеру смешения (патент RU 1761241 A1, МПК5 B01F 5/04, публ. 1992). Для устранения недостатка устройства по ранее указанному патенту путем обеспечения возможности расширения диапазона соотношения смешиваемых компонентов в этом устройстве было предложено в качестве рабочей среды для создания сверхзвукового потока использовать не пар, а холодную воду, из которой на выходе из водяного сопла выделялся растворенный в воде газ. При этом увеличение скорости смеси достигалось за счет увеличения давлений рабочей и гомогенизируемой среды на входе в устройство, что приводило, однако, к увеличению энергетических затрат (к необходимости увеличения мощности насосов), а снижение скорости звука в смеси достигалось выделением растворенного в воде и гомогенизируемой среде газа за счет снижения давления перед скачком ниже давления насыщения.
Недостатком устройства в результате указанных процессов является нестабильность соотношения воды и топлива перед камерой сгорания.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего получать водотопливную эмульсию со стабильным соотношением воды и топлива непосредственно перед камерой сгорания, имеющего низкую себестоимость и отсутствие дополнительного потребления электроэнергии на приготовление эмульсии.
Путь достижения этого результата полезной моделью заключается в конструкции специального смесителя в комплексе со штатным насосом центробежного типа горельного устройства непосредственно перед сжиганием жидкого топлива (отработка, масло, дизель, биотопливо). Размеры смесителя подобраны с помощью математического моделирования так, что количество воды на входе в насос составляет 5% по объему от общего количества жидкости. Такое количество является оптимальным согласно литературным данным.
Указанный технический результат в устройстве для приготовления водно-топливной эмульсии, содержащей смеситель в виде цилиндрической камеры смешения, к которой подведены установленное по оси камеры сопло для подачи топлива и перпендикулярно оси камеры цилиндрический канал для подачи воды, входной трубопровод для подачи топлива в смеситель и выходной трубопровод для подачи эмульсии из смесителя к фильтру циркуляционного насоса горельного устройства, достигается тем, что длина камеры смешения выполнена равной ее диаметру, цилиндрический канал для подачи воды выполнен с диаметром, составляющим не более 1/3 диаметра камеры смешения, его входное отверстие в камеру смещения расположено в ее средней части, а длина цилиндрического канала для подачи воды составляет не менее 30 его диаметров.
Кроме того, выходной трубопровод для подачи эмульсии из смесителя к фильтру циркуляционного насоса горельного устройства выполнен с диаметром не менее двух диаметров камеры смешения и длиной в пределах 3-4 собственных диаметров.
Эффект в использовании устройства достигается в виде малой стоимости и стабильности соотношения горючего и воды в полученной смеси.
На фиг.1 показана схема предлагаемого нами устройства приготовления водно-топливной эмульсии.
На фиг.2, 3 показаны разные стадии процесса образования водно-топливной эмульсии по длине и поперечному сечению выходного трубопровода, соответственно.
На фиг.4 (а, б, в) показан пример осуществления полезной модели с приведением экспериментальных данных.
Устройство для приготовления водно-топливной эмульсии, содержит смеситель 1 в виде цилиндрической камеры смешения 2, к которой подведены установленное по оси камеры сопло для подачи топлива 3 и перпендикулярно оси камеры цилиндрический канал 4 для подачи воды, входной трубопровод 5 для подачи топлива в смеситель и выходной трубопровод 6 для подачи эмульсии из смесителя к фильтру 7 циркуляционного насоса 8 горельного устройства (не показано). Длина камеры смешения 2 выполнена равной ее диаметру, цилиндрический канал 4 для подачи воды выполнен с диаметром, составляющим не более 1/3 диаметра камеры смешения 2, его входное отверстие в камеру смещения расположено в ее средней части, а длина цилиндрического канала 4 для подачи воды составляет не менее 30 его диаметров. Такое соотношение размеров конструктивных элементов устройства обеспечивает оптимальные условия для течения и перемешивания потоков рабочих жидкостей (воды и топлива) и, соответственно, стабильное соотношение воды и топлива непосредственно перед камерой сгорания горельного устройства.
Выходной трубопровод 6 для подачи эмульсии из смесителя к фильтру 7 циркуляционного насоса 8 горельного устройства выполнен с диаметром не менее двух диаметров камеры смешения 2 и длиной в пределах 3-4 собственных диаметров.
Работа и функционирование устройства для приготовления водно-топливной эмульсии происходит под действием циркуляционного насоса создающего относительно небольшой перепад давлений на входе и выходе устройства. Этот перепад давлений обеспечивает необходимую энергию для всасывания топлива и воды в камеру смешения, образования водно-топливной эмульсии и последующей подачи ее в горельное устройство. Дополнительных энергозатрат и потребления электроэнергии на приготовление эмульсии не требуется.
На фиг.1 показана схема предлагаемого нами устройства приготовления водно-топливной эмульсии. Трубка меньшего диаметра оказывает сопротивление воде таким образом, что ее количество внутри смесителя составляет не более 5%. На фиг.2, 3 представлены результаты моделирования образования водно-топливной эмульсии, которые обосновывают конструкцию смесителя. Показаны разные стадии процесса образования водно-топливной эмульсии и степень смешения по длине и поперечному сечению выходного трубопровода 6. В результате натурных испытаний для жидкотопливной горелки типа OMNI OWBC получено, что данное устройство стабильно работает при расходе топлива в диапазоне от 3-12 литров в час для следующих видов топлива: отработанное автомобильное моторное масло, индустриальное масло, турбинное масло, дизельное топливо, трансмиссионное масло вязкостью до 90W (SAE). Результат 3 месячной эксплуатации устройства в зимнее время показал значительное уменьшение загрязнения камеры сгорания сажей по сравнению с таким же периодом эксплуатации горелки типа OMNI без применения устройства, что снижает энергозатраты на дополнительный обогрев и очистку камеры сгорания. На фиг.4 (а, б, в) показаны конкретные примеры осуществления полезной модели с приведением экспериментальных данных.
Таким образом, достигается технический результат при использовании предлагаемой полезной модели, которым является создание устройства, позволяющего получать водотопливную эмульсию со стабильным соотношением воды и топлива непосредственно перед камерой сгорания, имеющего низкую себестоимость и отсутствие дополнительного потребления электроэнергии на приготовление эмульсии.
Литература.
1. Gollahalli, S.R., М.L. Rasmussen, and S.J. Moussavi. 1981. Combustion of drops and sprays of No. 2 Diesel oil and its emulsions with water. 18th Symposium (International) on Combustion Proceedings. Pittsburgh, PA: The Combustion Institute. 349-59.
2. А.Н. Иванов, Н.А. Канторович. "Топливные эмульсии и суспензии", М., "Металлургиздат", 1963