Устройство для диспергирования жидкого топлива

Предлагаемая полезная модель относится к области устройств модификации авиационного топлива и энергетики и может быть использована для подготовки топлива воздушно-реактивных двигателей, ракетных двигателей, энергетических установок с целью снижения их размера и расхода углеводородного сырья.
Известно «Устройство для сжигания топлива», которое может быть использовано в авиамоторостроении, ракетном двигателестроении и энергетике (Патент RU №2227870 от 27.04.2004). К недостаткам устройства и барботированного пузырьками топлива является то, что для подготовки пузырьковой или микропористой среды используется пористая мембрана и при больших расходах топлива и воздуха имеются большие потери давления в устройстве из-за резкого возрастания потерь давления на мембране и требуются значительные дополнительные энергетические затраты. Это приводит к большей длине задержки воспламенения и меньшей устойчивости пламени при больших скоростях топливно - воздушной смеси.
В качестве прототипа - наиболее близкого к предлагаемому решению, выбрана «Установка для смешения и по джига композитного топлива». Патент на полезную модель №144951 от 31.07.2014.
В известном устройстве для распыления и поджига жидкого топлива система диспергирования содержит барботер, снабженный патрубком для жидкого топлива, патрубком для воздуха, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом барботер содержит трубчатую насадку, которая выполнена в виде колец Рашига.
Недостаток прототипа состоит в том, что при больших расходах топлива и горючего, имеющихся в образцах летательной техники с использованием ПВРД и ГПВРД, слишком велики потери давления и затраты энергии в ходе подготовки пузырьковой или микропористой среды в ходе перемешивания газообразной и жидкой фаз в барботере. В частности, диаметр отверстия кольца Рашига равен его длине, что повышает его аэродинамическое сопротивление и падение давления на барботере.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в следующем:
- снижение аэродинамического сопротивления и падения давления на барботере при соответствующем повышении эффективности диспергирования газожидкостного топлива.
- эффект взаимодействия пересекающихся струй и дополнительная турбулизация потоков смешиваемых сред повышает эффективность смешения, что также повышает эффективность диспергирования.
Технический результат достигается за счет устранения указанных недостатков в предлагаемой установке для диспергирования жидкого топлива, которая содержит барботер, снабженный патрубком для ввода жидкого топлива, патрубком для ввода воздуха, и выходным отверстием, что совпадает с существенными признаками прототипа.
При к выходному отверстию барботера последовательно подключены гидродинамическое сопло и сквозная камера, внутри которой расположен волнообразующий элемент, а выход сквозной камеры является выходом устройства.
Кроме того, давление потока воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, выбирают в диапазоне (0,2-150) ати, давление потока жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива выбирают в диапазоне (0,2-150) ати.
Кроме того, волнообразующий элемент, расположенный на продольной оси сквозной камеры, выполнен в виде цилиндра диаметром от 2,0 мм до 25 мм, длиной от 15 мм до 200 мм, а ось цилиндра перпендикулярна продольной оси сквозной камеры.
Кроме того, волнообразующий элемент, расположенный на продольной оси сквозной камеры, выполнен в виде прямоугольной призмы, диаметр описанной окружности основания призмы от 2,0 мм до 25 мм, длина призмы от 15 мм до 200 мм, а ось призмы перпендикулярна продольной оси сквозной камеры.
Б
ск
ск
Б
B
B
Б
Кроме того, внутренний диаметр сквозной камеры равен внутреннему диаметру барботера D, продольная ось барботера ориентирована вдоль продольной оси сквозной камеры, длина сквозной камеры L выбрана из условия: L<(2-5) D, а расстояние L волнообразующего элемента от выхода гидродинамического сопла определено выражением: L<(1-3)D.
Кроме того, гидродинамическое сопло выполнено в виде сопла Лаваля или в виде вихревого сопла.
Кроме того, волнообразующий элемент выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси сквозной камеры, а патрубок для ввода воздуха выполнен с возможностью изменять направление своей оси.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - установка для диспергирования жидкого топлива по п. 1 формулы,
где использованы обозначения:
1 - барботер, 2 - патрубок для жидкого топлива, 3 - патрубок для воздуха, 4 - волнообразующий элемент, 5 - гидродинамическое сопло, 6 - сквозная камера смешения, 7 - выход сквозной камеры смешения.
Фиг. 2. Визуализация фронта ударной волны при обтекании волнообразующего элемента (цилиндра), передний фронт - А, задний фронт - контуры цилиндра - Б.
Установка для смешения и поджига жидкого топлива, как показано на фиг.1, содержит барботер 1, патрубок для подачи жидкого топлива 2, патрубок для подачи воздуха 3, волнообразующий элемент 4, гидродинамическое сопло 5, сквозная камера смешения 6, выход сквозной камеры смешения 7.
При этом к выходному отверстию барботера 1 последовательно подключены гидродинамическое сопло 5 и сквозная камера смешения 6 в виде пустотелого цилиндра, внутри которой расположен волнообразующий элемент 4, а выход 7 сквозной камеры 6 является выходом устройства.
Установка для смешения и поджига жидкого топлива работает следующим образом.
Жидкое топливо (например, керосин или эмульсия керосина с водой) подается через патрубок 2 в барботер 1, где происходит смешение с воздухом, подаваемым через патрубок 3, и образование пузырьковой топливно-воздушной смеси или пузырьковой смеси эмульсии топлива и воды с воздухом. В патрубок 3 сжатый воздух поступает из ресивера, пузырьковая смесь поступает в сопло 5 и распыляется в сквозной камере смешения 6 за счет удара сверхзвуковой струи пузырьковой смеси с образованием фронта ударной волны, гидродинамическое сопло 5 может быть выполнено в виде сопла Лаваля или вихревого сопла. При этом поток жидкого топлива из патрубка 2 направлен под прямым или косым углом потоку воздуха из патрубка 3. Размеры сквозной камере смешения, параметры гидродинамического сопла 5, а также форма и положение волнообразующего элемента 4 выбираются из условия эффективного формирования фронта ударной волны и качества диспергирования топлива.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает максимально эффективное перемешивание жидкого топлива с воздухом при минимизации затрат энергии, позволяет повысить мощность двигателя при фиксированных затратах энергии.
Покажем, что технический результат обеспечивается за счет существенных признаков предлагаемого технического решения.
То, что устройство для диспергирования жидкого топлива содержит барботер, снабженный патрубком для ввода жидкого топлива, патрубком для ввода воздуха, и выходным отверстием, а к выходному отверстию барботера последовательно подключены гидродинамическое сопло и сквозная камера, внутри которой расположен волнообразующий элемент, позволяет снизить потери полного давления 3-4 раза по сравнению с прототипом.
Это объясняется тем, что в процессе диспергирования энергия газожидкостного потока не расходуется на трение при обтекании насадки, а непосредственно преобразуется в энергию ударной волны, при встрече сверхзвуковой струи пузырьковой смеси с волнообразующим элементом.
Кроме того, давление потока воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, выбирают в диапазоне (0,2-150) ати, давление потока жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива выбирают в диапазоне (0,2-150) ати, что позволяет параметры взаимодействия потока жидкого топлива и потока воздуха в барботере оптимизировать (с точки зрения эффективности диспергирования).
Кроме того, волнообразующий элемент, расположенный на продольной оси сквозной камеры, выполнен в виде цилиндра диаметром от 2,0 мм до 25 мм, длиной от 15 мм до 200 мм, а ось цилиндра перпендикулярна продольной оси сквозной камеры, что позволяет параметры взаимодействия сверхзвуковой струи пузырьковой смеси с волнообразующим элементом оптимизировать (с точки зрения эффективности диспергирования).
Кроме того, волнообразующий элемент, расположенный на продольной оси сквозной камеры, выполнен в виде прямоугольной призмы, диаметр описанной окружности основания призмы от 2,0 мм до 25 мм, длина призмы от 15 мм до 200 мм, а ось призмы перпендикулярна продольной оси сквозной камеры, что позволяет параметры взаимодействия сверхзвуковой струи пузырьковой смеси с волнообразующим элементом оптимизировать (с точки зрения эффективности диспергирования).
Б
ск
ск
Б
B
B
Б
Кроме того, внутренний диаметр сквозной камеры равен внутреннему диаметру барботера D, продольная ось барботера ориентирована вдоль продольной оси сквозной камеры, длина сквозной камеры L выбрана из условия: L<(2-5) D, а расстояние L волнообразующего элемента от выхода гидродинамического сопла определено выражением: L<(1-3) D, что позволяет оптимизировать условия распространения потока газожидкостного топлива при переходе его из барботера в сквозную камеру взаимодействия и, соответственно, повысить эффективность диспергирования.
Кроме того, гидродинамическое сопло выполнено в виде сопла Лаваля или в виде вихревого сопла, что позволяет оптимальным образом преобразовать энергию газожидкостного потока в энергию дробления пузырьков на фронте ударной волны.
Кроме того, волнообразующий элемент выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси сквозной камеры, что позволяет настраивать параметры взаимодействия сверхзвуковой струи пузырьковой смеси с волнообразующим элементом с учетом реальных характеристик рабочего процесса (температуры, вязкости жидкого топлива, концентрации газовобразной фазы и др. параметров).
Кроме того, патрубок для ввода воздуха выполнен с возможностью изменять направление своей оси, что позволяет настраивать параметры взаимодействия потока воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха с потоком жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива.
При участии этих факторов эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз повышается за счет дополнительной турбулизации газового и жидкостного потока, а также за счет дополнительной турбулизации газожидкостного потока под действием ударной волны.
Предлагаемое устройство с учетом достигнутой эффективности диспергирования способно приготовлять смеси углеводородных топлив или эмульсий этих топлив с водой с присадками наночастиц, что позволяет снизить время задержки воспламенения пламени при сжигании топлива, полученного с использованием предлагаемого устройства. При этом обеспечивается стабилизация горения при больших скоростях потока, в том числе и сверхзвуковых, за счет «эффекта горячих очагов», наличия большого количества ионов и радикалов в значительной части фронта пламени (возникают локальные пробои и получается объемный поджиг газокапельной смеси топлива и окислителя), что позволяет снизить материальные затраты на наночастичную компоненту топлива.
Предлагаемая полезная модель открывает путь к решению технической задачи в области создания компактных двигателей для авиации и ракетостроения и компактных энергетических устройств. Дает возможность вернуться к проблеме горизонтального старта челноков («Спираль» СССР, «Скремджет» США, конец 60-х годов XX века) с использованием подъемной силы и окислителя из окружающей среды.