УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ПОДАЧИ ВОДОМАЗУТНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR PREPARATION AND SUPPLY OF OIL-WATER EMULSION INTO INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно энергетического и химического, и предназначено для получения стойких тонкодисперсных водомазутных эмульсий как альтернативного топлива и подачи его в двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Известны устройства для приготовления водотопливной эмульсии для двигателей внутреннего сгорания путем подачи в смеситель-эмульгатор дозированных количеств топлив и воды и смешивание последних до образования эмульсии и подачи ее в двигатель.
Известно устройство в котором получена эмульсия с размерами глобул воды от 1-15 мкм до 50 мкм (Пат. РФ 2256695, C10L 1/32, 24.02.2004). Однако, такая эмульсия нестабильна и использовать ее в ДВС нецелесообразно, поскольку большие глобулы воды приводят к коррозии топливной аппаратуры.
Известно также устройство содержащее смеситель представляющую собой трубу, в которой последовательно установлены элементы, закручивающие поток по часовой и против часовой стрелки, что обеспечивает хорошее перемешивание (Пат. США 4430054, F23J 7/00,20.12.1980).
Однако это устройство не может обеспечить эмульсию даже с рекомендуемыми размерами глобул воды 5-10 мкм (из-за отсутствия диспергирования) и, кроме того, чтобы эмульсия не расслаивалась, она постоянно прокачивается через смеситель отдельным рециркуляционным насосом.
При многократной циркуляции отмечались случаи вспенивания топлива, что также не способствовало стабильности эмульсии.
Известно устройство включающее эмульгатор, к которому из топливного бака подводится дизельное топливо, а из водяного бака через электромагнитный клапан и дозирующий клапан поступает вода (Пат. США 4416225, F02M 25/02, 07.08.81).
Для предотвращения пенообразования установлен специальный бачок с клапаном для удаления из эмульсии воздуха. Из бачка эмульсия снова поступает в эмульгатор.
К недостаткам этого устройства следует отнести то, что дополнительно введено оборудование, которое понижает надежность системы, а прямое удаление воздуха не препятствует условиям образования пены в эмульгаторе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для приготовления водотопливной эмульсии и подачи ее в двигатель внутреннего сгорания, включающее штатную топливную систему, емкость с водой, дозаторы и два эмульгатора (Пат. РФ 2300658, F02M 25/022, 28.01.2005).
В известном устройстве получение водотопливной эмульсии осуществляется подачей топлива и воды, их смешивание путем многократной циркуляции до получения гомогенной эмульсии в двух эмульгаторах и подачу приготовленной эмульсии в штатную топливную систему.
Однако это устройство не обеспечивает стабильность водотопливной эмульсии, что отрицательно сказывается на работе двигателя.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является повышение качества эмульсии из смешиваемых сред, экономия топлива и уменьшение токсичных выхлопов в уходящих газах двигателя внутреннего сгорания.
Техническая задача достигается тем, что устройство для приготовления и подачи водомазутной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания содержащем резервуар для топлива и штатную топливную систему, включающую магистраль подачи топлива в двигатель через бустерный (топливный) насос и магистраль отсечного топлива, топливный фильтр, емкость для воды, насос для воды, расходомеры, электромагнитные клапаны и два эмульгатора согласно предлагаемому изобретению дополнительно содержит: емкость активации топлива, емкость для приготовления эмульсии и накопительную емкость, при этом емкость активации топлива соединена через электромагнитный клапан со штатным резервуаром для топлива, емкость приготовления эмульсии соединена с магистралью воды и эмульгатором, а накопительная емкость соединена с штатным бустерным насосом, при этом в качестве эмульгатора используют дезинтегратор эмульсионный DE, а дополнительные емкости снабжены перегородками, делящими емкость на приемную и стабилизационную, причем перегородки установлены с зазором у дна емкости. Магистраль отсечного топлива от главного двигателя подсоединена к приемной части емкости для приготовления эмульсии. Техническая задача достигается также тем, что электромагнитные клапаны установлены на входе в емкость активации топлива, на выходе из накопительной емкости, на магистрали выхода топлива из резервуара для топлива, перекрывающего подачу топлива в штатную топливную систему, и на выходе топлива из штатной топливной магистрали в штатный бустерный насос.
Присутствующие в мазутах асфальто-смолистые вещества (АСВ) являются естественными поверхностно-активными веществами (ПАВ), что способствует созданию стабильных эмульсий.
3
Асфальто-смолистые вещества придают цвет нефтям и нефтепродуктам. Большая часть асфальто-смолистых веществ нефти представлена нейтральными смолами, которые в чистом виде - жидкие или полужидкие вещества от темно-желтого до коричневого цвета плотностью 1000 - 1070 кг/м, причем смолы обладают сильной красящей способностью. Цвет нефти в тонком слое - от желтоватого, темно-коричневого до черного определяется количественным содержанием АСВ; светлые сорта нефти - легкие, темные - тяжелые. Обычно, чем тяжелее нефтепродукт, тем он темнее [И.Л. Гуревич. Технология переработки нефти и газа. Часть первая. Изд-во «Химия», М., 1972, 360 с].
По мере измельчения АСВ нефтепродукт меняет свой цвет, при этом, чем больше появляется свободных радикалов после измельчения АСВ, тем стабильнее водотопливная эмульсия. Учитывая это, необходимо найти корреляцию между качеством (стабильностью) эмульсии, степенью измельчения эмульсии (определяемую по величине глобул воды в эмульсии) и цветом эмульсии.
Таким образом, предлагаемое устройство должно обеспечить не только повышение качества эмульсии из смешиваемых сред, экономию топлива и уменьшение токсичных выхлопов в уходящих газах ДВС, но и выявить возможность оценки качества приготавливаемой эмульсии по цвету эмульсии.
Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.
Устройство (см. рис. 1) для приготовления и подачи водомазутной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания включает емкость активации топлива 1, эмульгатор (дезинтегратор эмульсионный DE) 2, емкость для воды 3, насос для воды 4, емкость для приготовления эмульсии 5, эмульгатор (дезинтегратор эмульсионный DE) 6, накопительная емкость для готовой эмульсии 7, соединенной через расходомер со штатным бустерным насосом 8, топливный фильтр 9, расходомеры 10, 11, 12, электромагнитные клапаны 13, 14, 15, 16, клапаны 17-26. Предлагаемое устройство присоединено к штатной топливной магистрали, включающей резервуар для топлива 27, топливную магистраль 28, соединяющую резервуар для топлива 27 со штатным бустерным насосом 8, магистраль отсечного топлива 29, топливную магистраль 30 подачи топлива (эмульсии) на топливный насос высокого давления (ТНВД) двигателя, электромагнитный клапан 31.
Устройство для приготовления и подачи водомазутной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
В емкость активации топлива 1, через электромагнитный клапан 13 и фильтр 9 из штатного резервуара для топлива 27 поступает чистое топливо. Затем открывают клапаны 17, 18, 19 и включают дезинтегратор 2 для обеспечения работы его в циркуляционном режиме для активации топлива. Далее в визуальном режиме следим за цветом топлива в процессе рециркуляции. После появления у топлива светло-коричневого цвета (это может быть после 3-5 кратной (или даже более) циркуляции - зависит от качества топлива и, в первую очередь, от количества в топливе асфальто-смолистых веществ, измельчение которых и приводит к изменению цвета топлива, закрывают клапан 19 и открывают клапан 20 и дезинтегратором 2 диспергированное топливо подают в емкость приготовления эмульсии 5, куда одновременно из емкости 3 через расходомер 11 подают воду в заданном процентном соотношении. Когда топливо из емкости 1 закачено в емкость 5 с заданным количеством воды, клапан 20 закрывают и в емкость 1 закачивается очередная порция топлива и включается режим рециркуляции. В емкости 5 открываются клапаны 21, 22, 23 и включается режим рециркуляции дезинтегратора 6. После приобретения водомазутной эмульсией бордово-красного цвета и контроля качества эмульсии под микроскопом, эмульсию подают в емкость накопитель 7, для чего закрывают клапан 23 и открывают клапан 24.
После приготовления нужного объема топлива в емкости 7 водомазутную эмульсию подают на двигатель внутреннего сгорания, для чего закрывают электромагнитный клапан 15, открывают клапан 16 и водомазутная эмульсия поступает на штатный бустерный насос 8, а из него на топливный насос высокого давления ТНВД двигателя. Образующееся отсечное топлива от ТНВД при работе двигателя поступает в приемную часть емкости 5 и, поскольку обводненность отсечного топлива и водомазутной смеси в емкости 5 одинаковы, то это никак не сказывается на обводненности эмульсии в целом.
При переходе двигателя на чистое топливо из штатного резервуара 27 с пульта управления (на схеме не показан) закрываются одновременно электромагнитные клапаны 13, 16 и 31, открываются одновременно электромагнитные клапаны 14 и 15, и двигатель снова работает на чистом топливе в штатном режиме.
Во избежание влияния вспенивания топлива и водомазутной эмульсии на работу дезинтеграторов и двигателей, все три дополнительные емкости внутри перегорожены пополам на приемную (где пена гасится) и стабилизационную, причем перегородки установлены с зазором у дна емкости.
Были проведены экспериментальные исследования по степени измельчения воды в водомазутной эмульсии на дезинтеграторе эмульсионном DE и роторно-пульсационном аппарате ГАРТ ПрМ. Основная масса глобул воды в водомазутной эмульсии при обработке в роторно-пульсационном аппарате ГАРТ ПрМ составила по размерам 10-15 мкм, в дезинтеграторе эмульсионном DE составила по размерам 10-100 нм. В процессе испытаний дезинтегратора эмульсионного DE было замечено, что чем меньше размер глобул (контролировалось по микроскопу), тем больше топливо меняет свой цвет и достигает бордово-красной окраски при размере глобул менее 100 нм. Это позволяет на практике не обращаться к использованию микроскопа (что не всегда возможно), а о степени измельчения глобул воды судить по цвету эмульсии.
3
Пример. По вышеописанному способу была подготовлена в дезинтеграторе эмульсионном DE водомазутная эмульсия на базе мазута М 100 и воды (15%). Эмульсия использовалась как топливо в двигателях Sulzer Diesel 16ZAV40S мощностью 11520 кВт, установленных на дизельной электростанции Atlantic Islands Electricity S.A. в Португалии. Расход топлива составлял 25-35 т в сутки, в зависимости от нагрузки. Эмульсия приготавливалась следующим образом: в 5 м мазута М 100 добавлялась вода (15%). Приготовленная эмульсия подавалась в накопительную емкость, а в освободившихся емкостях готовилась новая порция эмульсии (по описанной выше технологии).
По заказу владельца электростанции был проведен тест влияния этой эмульсии на характеристики двигателей, который провела независимая лаборатория Independent European laboratory "MadeBiotech - CR&D, S.A."
Из большого числа определяемых лабораторией параметров отметим для нас наиболее важные.
Глобулы воды в эмульсии, приготовленной по предлагаемому способу, размером 300-400 нм составили менее 0,2%, остальные попадают в размерный ряд 10-100 нм.
Содержание углеводородов в выхлопных газах:
3
- при работе двигателей на мазуте M100 - 171,4 мг/м,
3
- при работе двигателя на эмульсии - 44,5 мг/м,
3
то есть снижение эмиссии вредных газов - почти в четыре раза (3,85). В соответствии с нормами Португалии (Portaria 677 2009) предельно допустимая концентрация (ПДК) углеводородов в выхлопных газах - 50 мг/м, за превышение ПДК следуют штрафные санкции.
Экономия топлива составила - 7%.
Температура выхлопных газов понизилась на - 9%.
Таким образом, предлагаемое устройство для приготовления и подачи водомазутной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания по сравнению с прототипом является более эффективным, поскольку позволяет получить более качественную эмульсию, а использование ее в двигателе внутреннего сгорания позволили значительно сократить эмиссию вредных выхлопных газов и понизить температуру выхлопных газов, получить значительную экономию топлива.