УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ГОРЮЧЕЙ ВОДОРАСТВОРИМОЙ ПРИСАДКИ
DEVICE FOR PREPARATION AND STORAGE OF COMBUSTIBLE WATER-SOLUBLE ADDITION

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности судовых двигателей внутреннего сгорания и топливоиспользования на судах, касается хранения в судовых условиях горючей водорастворимой присадки, а также приготовления ее водного раствора заданной низкой концентрации, и может быть применено в стационарных энергетических установках.
Одним из путей борьбы за повышение эффективности горения жидкого топлива и его смесей в энергетических установках является использование водорастворимых горючих присадок.
Хранение горючих присадок залитыми водой, обеспечивает присутствие молекул воды между гранулами присадки и тем самым предотвращает, возможный их нагрев свыше 100°C. При этом температура самовоспламенения абсолютного большинства горючих водорастворимых присадок находится выше 100°C. Например, для нитрата аммония эта температура составляет 300°C. Хранение нитрата аммония, а также других горючих водорастворимых присадок, залитыми водой, повышает безопасность их применения.
Известно устройство для повышения эффективности горения жидкого топлива (патент Р.Ф. №2082018, МПК F02M 25/022, опубл. 1977 г.). Однако оно не использует горючие присадки. Устройство содержит ионизатор топлива с постоянными магнитами, выполненный в виде выпускной трубы с входным и выходным патрубками, снабжено разделителем топлива, источником питания и блоком управления, а также двумя разделительными пластинами. Разделитель выполнен в виде куполообразного корпуса, каталитической пластины, размещенной в корпусе, и генератора микроволн, установленного в нижней части корпуса и электрически подключенного к блоку управления и источнику питания. Ионизатор установлен после распределителя. Выпускная труба снабжена плоскими наружными участками. Причем постоянные магниты размещены противоположно, а экранирующие пластины охватывают постоянные магниты. Частота генератора микроволн равна 1,1-1,2 мегагерц. Генератор микроволн выполнен в виде керамической колебательной пластины, выполненной из сплава платины и титана или платины и палладия, а постоянные магниты выполнены в виде набора спаренных постоянных магнитов. Причем полюса спаренных магнитов расположены друг против друга и постоянно обращены в сторону других полюсов других спаренных магнитов. Известное устройство обеспечивает достаточную полноту сгорания топлива, а также повышает эффективность горения.
Недостаток указанного известного устройства заключается в его сложности, дороговизне, невысокой степени поляризации обычного углеводородного топлива по причинам незначительного реагирования углеводородов топлива на постоянные и переменные электромагнитные поля, а также очень короткого времени существования - доли секунды образуемых жидкотопливных радикалов в окружающей среде по причине поглощения их ассоциатами топливных молекул. Последние аккумулируют на себе обломки молекул углеводородов, имеющих многочисленные свободные, активные атомные связи, что приводит к поглощению этими ассоциатами активированных свободных радикалов в топливе и, как следствие, - ликвидации общего эффекта от воздействия данного устройства на топливо еще до входа в двигатель внутреннего сгорания.
Ионизацию и поляризацию жидкого топлива, как известно, можно усилить введением в топливо веществ, более сильно, чем углеводороды топлива, подверженных воздействию электромагнитных полей. Такими веществами являются, как известно, добавки воды в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) и водорастворимые присадки к топливу, диссоциирующие в воде на ионы, как нитрат аммония и другие. Глобулы воды с ионами водорастворимой присадки, хорошо воспринимают и длительно хранят заряд от направленных электромагнитных полей. Тем самым повышается эффективность поляризации всей водотопливной смеси, как и жидкотопливных углеводородов, активизируются процессы распыла, горения, повышается полнота сгорания топлива.
Известна система подготовки топливовоздушной смеси к сжиганию в двигателе внутреннего сгорания (Авторское свидетельство СССР №1450482, опубликованное 08 сентября 1988 г.) Известная система топливоподготовки содержит смеситель, к которому подключены магистраль подачи воды и магистраль подачи концентрированного раствора аммиачной селитры. Диспергатор соединен со смесителем и топливопроводом и через первый поляризатор подключен к двигателю внутреннего сгорания (дизелю). Магистраль подачи воздуха в двигатель снабжена компрессором, охладителем и вторым поляризатором, сообщающим воздуху отрицательный заряд.
Данная известная система подготовки топливовоздушной смеси позволяет вводить в топливо рекомендуемый 1-3%-ный раствор аммиачной селитры в заявленном диапазоне 3-5% по объему к топливу. Перед подачей в дизель приготовленная водотопливная эмульсия с присадкой аммиачной селитры получает от первого поляризатора заряд положительной полярности. Воздуху сообщают заряд отрицательной полярности величиной, превышающей заряд, сообщенный топливу. Такое выполнение позволяет обеспечить быстрый прогрев глобул воды и взрывное парообразование, ведущее к усиленному механическому разрыву углеводородной оболочки с освобождением ионов аммиачной селитры и одновременной их активацией, что приводит к эффективному воздействию этих ионов на высокомолекулярные углеводородные топлива. Данная известная система воздухотопливоподготовки позволяет в двигателе внутреннего сгорания повысить полноту сгорания топлива.
Однако недостатками данной известной системы топливоподготовки является неопределенность устройства для него, обеспечивающего эффективное длительное хранение большого запаса горючей водорастворимой присадки на судне и приготовление ее высококонцентрированного раствора.
2
2
2
2
2
Наиболее близким техническим решением из известных, принятым за прототип, является устройство для приготовления и хранения горючей водорастворимой присадки MgCl к топливу, разработанное Всесоюзным теплотехническим институтом (ВТИ). (Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. / В.А.Адамов. - Л.: Недра, 1989. - 304 с.) Данная горючая присадка ВТИ-4ст представляет собой 10-% водный раствор хлористого магния MgCl, который для приготовления доставляют к известному устройству упакованным в мешках массой по 50 кг в железнодорожных вагонах в виде бишофита MgCl·HO с содержанием 47% чистого MgCl. (Турчин Н.Я. Монтаж оборудования газового и мазутного хозяйства тепловых электростанций. / Н.Я.Турчин. - М.: Энергоиздат, 1981. - 102 с.).
2
2
3
3
3
Из вагонов бишофит разгружают в четыре подземные железобетонные ячейки запаса, при заполнении которых водой от питательного трубопровода с насосом приготавливается 30%-ный раствор MgCl; рядом распологаются сообщенные с ними трубопроводом высококонцентрированного водного раствора с подающим насосом две ячейки, в которых готовят для расхода 10%-ный рабочий раствор MgCl посредством питательного трубопровода с насосом. Каждая ячейка имеет вместимость по 90 м. В здании временного мокрого содержания бишофита, как технологического этапа приготовления, располагаются циркуляционные насосы 4КМ-8 с циркуляционным трубопроводом с подачей 100 м/час, создающие давление 0,43 МПа, которыми раствор рабочей концентрации по ним закачивается в два резервуара хранения объема присадки вместимостью по 400 м. Объем хранящейся в них горючей присадки на складе просчитан на 12 суток работы тепловой электростанции. Внутренняя поверхность резервуаров для горючей присадки покрывается лаком ПХВ в три слоя. В этих емкостях хранения змеевиковые подогреватели греют горючую присадку до 80°C.
3
Трубопроводы перекачки горючей присадки на открытом воздухе выполняют с паровым спутником в общей изоляции. Из резервуаров емкостей хранения через фильтры горючая присадка поступает в насосы-дозаторы типа НД-2500/10 с подачей 2,5 м/ч, создающие давление 1 МПа, и от них - на прием мазутных насосов второго подъема энергоустановки с применением смесителей эжекционного типа.
Известное устройство имеет недостатки:
Устройство главным образом не устраняет оседание из раствора горючей присадки на дно ячеек емкостей запаса нерастворенных, мелких гранул присадки, гелеобразных гидросоединений вещества горючей присадки с водой, их уплотнение на дне, сопровождающееся вытеснением воды, а также попадание нерастворенных гранул и мелких частиц в последующие емкости. Это приводит к накоплению на дне каждой емкости осадков нерастворенного вещества, их постепенному уплотнению с вытеснением воды, т.е. обезвоживанию, что является пожароопасным в случае длительного хранения большого объема горючей присадки, содержащей в своем составе окислитель и восстановитель. Попадание нерастворенных гранул и частиц присадки в последующие емкости приводит к росту концентрации присадки в растворе и соответственно к ее перерасходу, забивают фильтра и арматуру.
Устройство не приспособлено для использования на судах. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, в связи с ограниченными объемами машинного отделения судов хранить большой запас гранулированной водорастворимой горючей присадки в емкости запаса в машинном отделении судна целесообразно в залитом водой виде, а не в виде готового раствора. Однако, с другой стороны, при хранении большого количества горючей присадки, залитой водой в емкости запаса в данном известном устройстве, очевидна невозможность орошения всей массы вещества горючей присадки посредством вышеописанного в прототипе циркуляционного трубопровода, особенно на дне емкости запаса. Конструкция циркуляционного трубопровода известного устройства не обеспечивает эффективной циркуляции жидкости по всему объему емкостей с раствором присадки, особенно в отдаленных областях емкостей. Тем более, что циркуляция раствора горючей водорастворимой присадки предусмотрена только в емкостях с ее 10%-ным рабочим раствором. Как следствие, при длительном хранении вещества гранулированной горючей присадки молекулы воды на дне емкостей вытесняются твердыми и гелеобразными донными осадками с их последующим обезвоживанием. Поэтому известное устройство неприемлемо к использованию на судах для длительного хранения больших объемов горючей присадки.
Таким образом, недостатками данного известного устройства для использования на судах являются:
1. Устройство приспособлено на 12-ти дневную работу, но не рассчитано на длительную беззаправочную работу в морских условиях (100 дней и более).
2. Устройство имеет большие размеры в связи с необходимостью приготовления и полного растворения горючей присадки до 30%-ной и 10%-ной концентрации.
3. Устройство не предназначено для длительного хранения больших объемов горючей водорастворимой присадки в виде гранул, залитых водой, в связи с возможностью образования и оседания на дно гелеобразных и твердых соединений горючей присадки. При этом со временем на дне емкости возможно значительное накопление и уплотнение горючих осадков, т.е. их обезвоживание. Осадки образуются даже при малой концентрации раствора. Штатный циркуляционный трубопровод, благодаря своей конструкции, расположенный в емкостях с 10%-ной концентрацией раствора, обеспечивает только выравнивание рабочей 10%-ной концентрации по объему расходной емкости. Циркуляционный трубопровод данной известной конструкции не позволяет эффективно орошать струями воды все донное пространство всех емкостей раствора присадки, особенно в отдаленных их местах. Таким образом, ничто не препятствует отложению осадков гранулированного вещества, их накоплению, уплотнению, последующему отвердеванию с обезвоживанием. При использовании горючих присадок, состоящих из окислителя и восстановителя, данные отложения пожароопасны, т.к. обезвоживание накоплений из горючей присадки многократно увеличивает возможность химического реагирования окислителя и восстановителя в составе горючей присадки.
4. Нерастворенные гранулы присадки и образовавшиеся ее гелеобразные соединения попадают в последующие емкости и из них в фильтры и арматуру. При этом происходит повышение концентрации присадки в растворе с ее перерасходом.
Техническая задача, на которую направлено заявляемое изобретение, устранение указанных недостатков, а именно:
1. Создание устройства, дающего возможность длительного, эффективного, пожаробезопасного хранения больших запасов горючей, водорастворимой присадки на судне.
2. Устранение нецелевых (побочных) расходов горючей, водорастворимой присадки, связанных с ее хранением в длительном рейсе - несколько месяцев, т.е. недопущение накоплений из осадков присадки на дне емкости, их постепенного уплотнения, отвердевания, обезвоживания.
3. Устранение перерасхода присадки, вызванного переходом ее нерастворенных гранул с приготовленным насыщенным раствором из емкости запаса присадки в последующие емкости.
4. Обеспечение непрерывной работы устройства, т.е. исключение засорения фильтров устройства нерастворенными гранулами присадки.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном устройстве для приготовления и хранения горючей водорастворимой присадки, включающем емкость запаса, содержащую гранулы горючей водорастворимой присадки и ее высококонцентрированный водный раствор, сообщенную с ней посредством трубопровода высококонцентрированного водного раствора емкость готового рабочего раствора присадки, содержащую водный раствор низкой концентрации данной горючей водорастворимой присадки, имеющую сообщение через фильтр и насос, установленные на трубопроводе готового рабочего раствора, с энергетической установкой, причем каждая из емкостей сообщена с соответствующим питательным трубопроводом, на котором установлен питательный насос данной емкости, емкость запаса сообщена также с циркуляционным трубопроводом с установленным на нем циркуляционным насосом, а на трубопроводе высококонцентрированного водного раствора, соединяющем обе емкости, установлен подающий насос, в отличие от него в заявляемом устройстве циркуляционный трубопровод образован двумя вертикальными трубами, закрепленными соответственно на противоположных стенках емкости запаса. Полости нижних оконечностей этих трубопроводов сообщены между собой внутри емкости запаса посредством установленных на ее днище параллельных рукавов, сообщенных своими оконечностями соответственно с раздаточным и собирающим переходниками оконечностей данных вертикальных труб. При этом срез входного участка циркуляционного трубопровода расположен в верхней части емкости запаса на высоте нижнего аварийного уровня ее поверхности жидкости, а срез выходного участка циркуляционного трубопровода, выполненного в форме загнутого вниз патрубка, расположен в емкости запаса на высоте нижнего аварийного уровня поверхности ее жидкости. Сам циркуляционный трубопровод выполнен из нержавеющего материала. На его входном участке установлен циркуляционный насос с запорной арматурой. Рукава циркуляционного трубопровода имеют на каждой боковой своей поверхности отверстия для выхода струй жидкости, расположенные по всей их длине, с горизонтальными осями отверстий. Емкость запаса сообщена с емкостью готового рабочего раствора горючей водорастворимой присадки, являющейся расходной, посредством такого трубопровода высококонцентрированного водного раствора, который вмонтирован в первую на ее стенке у входного участка циркуляционного трубопровода на высоте между нижним аварийным и нижним уровнями поверхности жидкости, а также который содержит другой фильтр, упомянутый подающий насос и запорную арматуру. Причем на емкости готового рабочего раствора установлен ареометр замера его концентрации с датчиком сигнала, а на обеих емкостях установлены датчики нижнего, аварийного нижнего, верхнего и аварийного верхнего уровня поверхности их жидкости, расположенные каждый на соответствующей высоте данного уровня, смотровые колонки с арматурой, переливные трубы сброса излишек раствора, воздушные трубы с клапанами вентиляции емкостей, а вблизи любой из емкостей размещен элекрощит с аппаратурой пуска и управления электрооборудованием емкостей, а сама площадь поверхности жидкости емкости запаса определена по соотношению:
2
где F - искомая площадь поверхности жидкости емкости запаса, м;
D - диаметр ячейки другого фильтра, т.е. допустимый диаметр нерастворенных гранул присадки, свободно проходящих через ячейку данного фильтра, м;
3
Q - расход жидкости, т.е. суммарная подача циркуляционного насоса и подающего насоса, м/сек;
K - коэффициент, м×сек;
где K=18µ/Δρg
где µ - коэффициент динамической вязкости концентрированного раствора данной горючей водорастворимой присадки, Па×сек;
2
g - ускорение силы тяжести, м/сек;
3
Δρ - разность плотностей гранул данной горючей водорастворимой присадки и ее раствора, кг/м.
Заявленная совокупность отличительных и ограничительных признаков обеспечивает достижение следующей поставленной технической задачи, а именно:
1. Создание устройства, дающего возможность длительного, эффективного, пожаробезопасного хранения больших запасов горючей, водорастворимой присадки на судне.
2. Устранение нецелевых (побочных) расходов горючей, водорастворимой присадки, связанных с ее хранением в длительном рейсе.
3. Устранение перерасхода присадки, вызванного попаданием ее нерастворенных гранул с ее высококонцетрированным раствором из емкости запаса в последующие емкости.
4. Исключение засорения фильтров устройства нерастворенными гранулами присадки.
Долговременное хранение горючей водорастворимой присадки на судне, приготовление ее насыщенного раствора и рабочего раствора низкой концентрации в целях повышения эффективности горения топлива является назревшей актуальной задачей, особенно в судовых двигателях внутреннего сгорания. Заявляемое устройство позволяет эффективно использовать горючие водорастворимые присадки на судах в залитом водой виде.
Однако при длительном хранении, т.е. в судовых условиях, горючей водорастворимой присадки в виде гранул, залитых водой, происходит неблагоприятный процесс впитывания гранулами воды из окружающего их максимально концентрированного раствора с образованием на поверхности гранул присадки гелеобразных соединений. Последние покрывают гранулы, препятствуют качественному их растворению и способствуют образованию донных осадков. Также гелеобразные соединения образуются и в высококонцентрированном растворе, окружающем гранулы. Эти соединения со временем оседают, что приводит в донных слоях к значительному уплотнению вещества горючей присадки с последующим его обезвоживанием.
Нитрат аммония (аммиачная селитра), например, как и другие горючие водорастворимые присадки, при длительном контакте с высококонцентрированным ее раствором также образует гелеобразные соединения с водой. Эти соединения первоначально образуются на поверхности нерастворенных гранул, но при увеличении их количества оседают на дно емкости, занимают пространство между гранулами, вытесняют высококонцентрированный раствор присадки. Гелеобразные соединения, в том числе и аммиачной селитры, при увеличении их количества на дне емкости уплотняются, отвердевают и при длительном хранении возможно явление полного локального вытеснения воды. Таким образом, наличие на дне емкости застойных зон, т.е. не имеющих достаточной циркуляции воды, способствует процессу обезвоживания вещества присадки. При длительном хранении горючей водорастворимой присадки, залитой водой, количество отложений гелеобразных образований может значительно увеличиваться и возможно полное обезвоживание донных слоев емкости.
Как известно, молекулы горючих водорастворимых присадок, в том числе аммиачной селитры, содержат окислитель и восстановитель, поэтому являются пожароопасными и способны к самовоспламенению. Нитрат аммония, например, при нагреве свыше 300°C взрывается. В связи с этим прекращение циркуляции воды в нижних слоях емкости запаса, значительное обезвоживание осадков, недопустимо. На практике известно явление саморазогрева некоторого объема отдельных горючих веществ в результате предпламенных реакций окисления до температуры их самовоспламенения с последующим возгоранием. При наличии и хранении в емкости запаса некоторого локального объема «обезвоженного» вещества горючей присадки возможно по различным причинам локальное повышение температуры пожароопасного вещества до критической, при которой начнется большое выделение энергии. Такими причинами в судовых условиях могут быть: воздействие постороннего источника тепловой энергии, физикохимическая активизация, поляризация окислителя или восстановителя, содержащегося в молекуле горючей водорастворимой присадки, вызванные электромагнитным излучением от работающих на судне электромеханизмов. Все это может привести к самовозгоранию обезвоженных осадков, повредить емкость и спровоцировать химическую реакцию в соседних объемах горючей присадки.
Следовательно, хранение гранул горючей присадки, например, аммиачной селитры, залитой водой, предохраняет ее от нагрева свыше 100°C. Однако для полной безопасности хранения горючей водорастворимой присадки необходимо устранение накоплений донных осадков, состоящих из соединений горючей присадки. Последние, как изложено, образуются в застойных зонах емкости.
Причем весьма существенно, что уплотненные гелеобразные твердые соединения горючей присадки с водой не обладают должной растворимостью и поэтому не могут качественно использоваться для приготовления концентрированного раствора присадки. В этом случае донные осаждения от горючей присадки при их значительном накоплении также подлежат устранению. Данное обстоятельство вызывает неэффективный дополнительный расход горючей присадки, а также трудозатраты и дополнительные технические меры по их удалению, что и предотвращается заявляемым изобретением.
Следует отметить, что удалить донные отложения можно из пустой емкости, но не из емкости запаса с большим количеством горючей присадки. Это подтверждает необходимость у заявляемого устройства в наличии и использовании циркуляционного насоса и донного циркуляционного трубопровода с параллельными перфорированными рукавами.
При этом в емкости запаса хранятся гранулы горючей водорастворимой присадки, залитые водой, а в верхней части емкости запаса, находится высококонцентрированный раствор горючей присадки. Данный раствор горючей присадки через другой фильтр и подающий насос, установленные на трубопроводе высококонцентрированного раствора, подается в расходную емкость раствора низкой концентрации. Устройство оборудовано двумя питательными насосами, обеспечивающими подачу воды, установленными на двух соответствующих питательных трубопроводах, подключенных к соответствующим емкостям - запаса и расходной. Датчики уровня жидкости: аварийного верхнего, верхнего, нижнего, аварийного нижнего уровней установлены на обеих емкостях горючей присадки и предназначены для поддержания рабочего уровня жидкости в них. Для визуального контроля уровня жидкости на обеих емкостях установлены смотровые колонки с арматурой.
Для контроля и замера плотности приготовленного рабочего раствора, предназначенного для подачи к энергоустановке, в расходной емкости установлен ареометр с датчиком сигнала. Ареометр подает соответствующий сигнал на электроаппаратуру пуска и управления элекрического щита, который установлен вблизи любой из емкостей. На обеих емкостях предусмотрены переливные трубы для сброса излишек жидкости и воздушные трубы, оснащенные клапанами вентиляции.
Подача готового рабочего раствора к энергоустановке судна из расходной емкости производится по трубопроводу готового рабочего раствора через установленные на нем фильтр и насос.
Место всасывания жидкости в циркуляционный трубопровод (срез) находится в верхней части емкости запаса на уровне датчика нижнего, аварийного уровня жидкости. В циркуляционный трубопровод с потоком жидкости могут попадать крупные нерастворенные гранулы присадки. Они могут быть больше размера перфорированных отверстий в рукавах циркуляционного трубопровода. Чтобы крупные гранулы не застряли в отверстиях рукавов и не забили полностью трубопровод, он имеет проточную конструкцию. Это обеспечивается тем, что циркуляционный трубопровод образован двумя вертикальными трубами, закрепленными соответственно на противоположных стенках емкости запаса, полости нижних оконечностей которых сообщены между собой внутри цистерны запаса посредством установленных на ее днище параллельных перфорированных рукавов, сообщенных своими оконечностями соответственно с раздаточным и собирающим переходниками оконечностей данных вертикальных труб. Во-вторых, на его входном участке установлен циркуляционный насос с запорной арматурой. Выход (срез) циркуляционного трубопровода заканчивается патрубком направленным обратно (вниз), т.е. «гусаком». Крупные нерастворенные гранулы горючей водорастворимой присадки, попавшие в циркуляционный трубопровод вместе с потоком жидкости, беспрепятственно пройдут через него, а загнутый вниз «гусак» направит их в сторону дна емкости запаса.
Всасывание и выход жидкости из циркуляционного трубопровода находятся на высоте нижнего аварийного ее уровня и его датчика жидкости в емкости запаса. Всасывание жидкости в трубопровод высококонцентрированного раствора из емкости запаса расположено несколько выше, т.е. на высоте между нижним аварийным и нижним (рабочим) уровнями поверхности жидкости и соответственно между ее датчиками нижнего аварийного и нижнего (рабочего) уровня. Вышеописанное расположение циркуляционного трубопровода и трубопровода высококонцентрированного раствора горючей присадки препятствует попаданию в последний трубопровод нерастворенных частиц присадки. Причем срезы всасывания циркуляционного трубопровода и трубопровода высококонцентрированного раствора находятся на стенке емкости запаса, противоположной стенке выхода циркуляционного трубопровода. Выход циркуляционного трубопровода в виде загнутой в обратном направлении (вниз) трубы-«гусака» предназначен для изменения направления и торможения струи жидкости, вышедшей из циркуляционного трубопровода. Это исключает распространение дополнительных потоков жидкости из циркуляционного трубопровода по горизонтальной поверхности емкости запаса, что способствует лучшему оседанию находящихся на поверхности емкости запаса нерастворенных частиц.
Рукава циркуляционного трубопровода имеют на каждой боковой своей поверхности отверстия для выхода струй жидкости, расположенные по всей их длине, с горизонтальными осями отверстий. Это способствуют тому, что струи жидкости, выходящие из отверстий в рукавах циркуляционного трубопровода под давлением, омывают все донное пространство емкости запаса, проникая в самые отдаленные его места.
При омывании струями жидкости, выходящими из отверстий в рукавах циркуляционного трубопровода, гранул присадки на поверхности последних уменьшается образование начальных растворимых гелеобразных соединений горючей водорастворимой присадки с молекулами воды из ее высококонцентрированного раствора. Струи раствора из циркуляционного трубопровода срывают с поверхности гранул присадки эти соединения, выносят их на поверхность жидкости, попутно растворяя в своем потоке. Растворяемость вещества растет при его движении в струе на поверхность раствора, где концентрация горючей присадки несколько меньше. Подъемная сила струй из рукавов трубопровода невысока, поэтому подъем на поверхность раствора нерастворенных гранул присадки они не осуществляют. В данном случае происходит только циркуляция водной части раствора с микрочастицами вещества присадки.
В результате данное орошение гранул горючей водорастворимой присадки на дне емкости запаса из отверстий в рукавах циркуляционного трубопровода позволяет уменьшить количество донных осадков, предотвратить их агломерацию, уплотнение, вытеснение из них молекул воды, последующее отвердевание и скопление донных осадков.
Площадь поверхности жидкости в емкости запаса определена согласно известному заявленному соотношению. Это диктуется необходимостью гравитационного осаждения немногочисленных нерастворенных гранул присадки, все-таки попавших с потоком из циркуляционного трубопровода из-за встречного сопротивления жидкости на ее поверхность. Однако пройти через всю емкость запаса к месту всасывания в трубопровод высококонцентрированного раствора нерастворенные гранулы не смогут по причине их гравитационного оседания, и они окажутся ниже линии всасывания в трубопровод высококонцентрированного раствора. Таким образом, не допускается засорения фильтра данного трубопровода, что весьма существенно.
Гравитационное оседание нерастворенных частиц определено из приведенного выше известного соотношения, согласно известной теории отстоя, и зависит от физических свойств присадки, допускаемого диаметра ее нерастворенных гранул и расхода жидкости из емкости запаса, что показано в соотношении. Величина ячеек другого фильтра (установленного на трубопроводе высококонцентрированного раствора), должна соответствовать максимально допустимому диаметру нерастворенных гранул хранимой присадки. (Обычно это 1-2 мм). Отбор жидкости из емкости запаса определен как сумма производительности циркуляционного насоса и подающего насоса высококонцентрированного раствора при их одновременной работе.
Самопроизвольное перетекание раствора присадки из емкости запаса в расходную емкость предотвращается запорной арматурой подающего насоса.
Заявляемое устройство для приготовления и хранения горючей водорастворимой присадки, залитой водой, имеющую емкость запаса, расходную емкость, которые укомплектованы соответствующими трубопроводами, насосами, фильтрами, датчиками, позволяют эффективно использовать на судне водорастворимые горючие присадки, применяемые для повышения полноты сгорания топлива.
Использование заявленного донного циркуляционного трубопровода в предлагаемом устройстве позволяет повысить эффективность хранения, экономичность расходования горючей водорастворимой присадки.
Площадь поверхности жидкости в емкости запаса, определенная согласно известной теории отстоя, позволяет получить в районе приема в трубопровод высококонцентрированного раствора раствор присадки точно заданной концентрации без ее нерастворенных гранул и частиц. Таким образом, устраняется засорение другого фильтра (расположенного на трубопроводе высококонцентрированного раствора), повышается точность дозировки рабочего раствора присадки и экономичность ее расхода.
Таким образом достигается поставленная техническая задача.
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен продольный разрез емкости запаса горючей водорастворимой присадки;
на фиг.2 - его вид в разрезе по А-А;
на фиг.3 представлен продольный разрез емкости готового рабочего низкоконцентрированного раствора горючей водорастворимой присадки.
Устройство для приготовления и хранения горючей водорастворимой присадки поясняется на примере присадки нитрата аммония.
Запас горючей водорастворимой присадки нитрата аммония в виде порошка или гранул, залитых водой, и ее высококонцентрированный раствор содержится в емкости (цистерне) запаса 1 (фиг.1). Для подачи воды в данную цистерну к ней подключен питательный трубопровод 2 с установленным на нем питательным насосом 3. Датчики уровня жидкости типа «Монбрей» 4, 5, 6, 7, соответственно верхнего аварийного уровня, верхнего (рабочего) уровня, нижнего (рабочего), нижнего аварийного уровня жидкости установлены в верхней части цистерны запаса, выше гранул присадки.
Циркуляция жидкости в цистерне запаса 1 производится циркуляционным насосом 8 с запорной арматурой (не показано), который установлен в контуре циркуляционного трубопровода 9.
Циркуляционный трубопровод 9 образован двумя противоположными вертикальными трубами 10, закрепленными с разных сторон соответственно на противоположных стенках емкости запаса 1 при помощи хомутов 11. При этом циркуляционный насос 8 закреплен на кронштейнах (не показано) на наружной стороне стенки цистерны запаса 1 совместно с подводящими и отводящими его вертикальными трубами 10, а противоположные вертикальные трубы 10 циркуляционного трубопровода 9 закрепляются на внутренней стороне стенки цистерны запаса 1. Полости нижних оконечностей данных вертикальных труб 10 сообщены между собой внутри цистерны запаса 1 посредством установленных на ее днище параллельных рукавов 12, сообщенных своими оконечностями соответственно с раздаточным 13 и собирающим 14 переходниками оконечностей данных вертикальных труб, расположенными на днище цистерны запаса 1. Причем нижняя оконечность отводящей трубы 10 циркуляционного насоса 8 сообщена через стенку цистерны с раздаточным переходником 13. При этом срез 15 входного участка циркуляционного трубопровода и срез 16 выходного участка циркуляционного трубопровода, выполненный в форме загнутого вниз патрубка, расположены в верхней части цистерны запаса на высоте датчика 7 - нижнего аварийного уровня жидкости (фиг.1). Сам циркуляционный трубопровод выполнен из нержавеющего материала. Рукава циркуляционного трубопровода 12 имеют на каждой боковой своей поверхности горизонтально направленные отверстия (не показано) для выхода струй жидкости, расположенные по всей их длине. Диаметр отверстий 3-6 мм и расположены они на рукавах циркуляционного трубопровода 12 на расстоянии друг от друга 8-10 см.
Трубопровод 17 отбора высококонцентрированного раствора присадки вмонтирован в стенку цистерны запаса 1 на уровне между датчиками 6 и 7 соответственно нижнего рабочего и нижнего аварийного уровней жидкости со стороны расположения среза 15 входного участка циркуляционного трубопровода 9 (фиг.1). На данном трубопроводе 17 высококонцентрированного раствора последовательно расположены фильтр 18 и подающий насос 19 с невозвратными клапанами (не показаны) (фиг.1). Конечный участок данного трубопровода 17 вмонтирован в цистерну готового рабочего раствора (расходную) 20 (фиг.3). Расходная цистерна 20 предназначена для преобразования высококонцентрированного раствора присадки в рабочий низкоконцентрированный раствор. Для подачи воды в расходную цистерну 20 к ней подключен питательный трубопровод 21, имеющий питательный насос 22. Для автоматического поддержания рабочего уровня жидкости в расходной цистерне 20 в ее верхней части установлены четыре датчика уровня жидкости типа «Монбрей» - 23, 24, 25, 26 соответственно верхнего аварийного уровня, верхнего (рабочего) уровня, нижнего (рабочего) уровня, нижнего аварийного уровня жидкости. Ареометр 27 с датчиком сигнала установлен в расходной цистерне 20 ниже датчика 26 - нижнего аварийного уровня жидкости.
Трубопровод 28 отбора рабочего раствора низкой концентрации вмонтирован в нижнюю часть стенки расходной цистерны 20 и служит для подачи рабочего низкоконцентрированного раствора к энергоустановке (не показана). На данном трубопроводе 28 последовательно расположены фильтр 29 и насос - дозатор 30.
2
Для визуального контроля уровня жидкости в цистерне запаса 1 и расходной цистерне 20 на каждой из них на их наружной вертикальной стенке установлена смотровая мерительная колонка с арматурой (не показано). Датчики типа «Монбрей» - аварийного низкого 7 и 26 и аварийного высокого 4 и 23 соответственно цистерны запаса 1 и расходной цистерны 20 подключены к аварийной световой и звуковой сигнализации (не показана) устройства. Обе цистерны оборудованы переливными трубами (не показано) для сброса излишек раствора, воздушными трубами (не показано) с клапанами вентиляции цистерны (не показано). Элекрощит (не показан) с аппаратурой пуска и управления электрооборудованием емкостей расположен на любой из емкостей или рядом. Сама площадь поверхности жидкости емкости запаса для нитрата аммония составляет величину не менее 2 м (при диаметре ячейки другого фильтра D=1 мм) и определена по соотношению:
2
где F - искомая площадь поверхности жидкости емкости запаса, м;
D - диаметр ячейки другого фильтра, D=0,001 м, т.е. допустимый диаметр нерастворенных гранул присадки, свободно проходящих через ячейку данного фильтра, м;
3
Q - расход жидкости, т.е. суммарная подача циркуляционного насоса и подающего насоса, м/сек;
K - коэффициент, м×сек;
где K=18µ/Δρg
где µ - коэффициент динамической вязкости концентрированного раствора данной горючей водорастворимой присадки нитрата аммония, Па×сек;
2
g - ускорение силы тяжести, м/сек;
3
Δρ - разность плотностей гранул данной горючей водорастворимой присадки нитрата аммония и ее раствора, кг/м.
2
Выбор горизонтальной площади цистерны 1 по вышеприведенному соотношению, составляющей величину не менее 2 м (при d=1 мм) позволяет устранить попадание излишков нерастворенной горючей присадки в трубопровод высококонцентрированного раствора, а также устранить засорение фильтра, расположенного на данном трубопроводе, нерастворенными гранулами присадки.
Как известно нитрат аммония (аммиачная селитра) взрывоопасен при нагреве свыше 300°C. Эффективность хранения и использования горючей водорастворимой присадки, залитой водой, обеспечивает надежную защиту от перегрева свыше 100°C в случае принудительной циркуляции раствора горючей присадки, производимой заявленным циркуляционным трубопроводом. Безопасность хранения горючей водорастворимой присадки в случае упущения воды из цистерны запаса поддерживается автоматической системой контроля уровня воды, снабженной предупредительной звуковой и световой сигнализацией цистерны (не показана).
Устройство используют следующим образом.
Для хранения присадки и приготовления ее концентрированного раствора в цистерну запаса 1 через ее горловину (не показано) засыпают горючую водорастворимую присадку - нитрат аммония или другую в гранулированном или ином виде. При включении общего электропитания предлагаемого устройства с электрощита (не показан) после сигнала датчика нижнего аварийного уровня 7 воды цистерны запаса 1 насос 3 питательного трубопровода 2 подает воду в цистерну запаса 1. Вода наполняет цистерну, покрывая и частично растворяя гранулы аммиачной селитры. При срабатывании датчика верхнего рабочего уровня жидкости 5 прекращается работа насоса 3 питательного трубопровода 2. Цистерна запаса 1 заполнена водой, происходит насыщение раствора до его максимальной концентрации. В случае переполнения цистерны запаса 1 водой излишки ее удаляются через переливную трубу (не показано). Через клапан вентиляции (не показано), установленный на воздушном трубопроводе (не показано), из цистерны запаса 1 устраняются излишки давления газов.
С целью интенсификации приготовления раствора горючей водорастворимой присадки и для устранения образования застойных зон в цистерне запаса 1 периодически включается циркуляционный насос 8 трубопровода циркуляции 9 (фиг.1). Автоматический режим работы циркуляционного насоса 8 устанавливается на аппаратуре (не показано), находящейся в электрическом щите (не показано).
Циркуляционный трубопровод 9 обеспечивает кругооборот раствора в цистерне запаса 1, поддерживает концентрацию раствора горючей водорастворимой присадки постоянной, максимальной. Постоянство и максимальность обусловлены тем, что количество присадки засыпают много больше запаса воды в цистерне запаса 1. Вместе с тем при циркуляции раствора горючей присадки выравниваются температуры по объему цистерны запаса 1.
Циркуляционный трубопровод цистерны запаса 1 имеет конструктивные особенности - полностью проточную конструкцию, вертикальные трубы 10, закрепленные на противоположных стенках цистерны запаса 1 и соединенные с раздаточным 13 и собирающим 14 переходниками, с которыми на дне цистерны запаса 1 соединены параллельные рукава 12, имеющие по всей их длине горизонтальные отверстия (не показано) (фиг.2). При работе циркуляционного насоса выходящие из отверстий на рукавах циркуляционного трубопровода 9 струи водного раствора присадки проникают в самые отдаленные донные слои цистерны запаса 1. Поднимаясь на поверхность, струи раствора попутно омывают нерастворенные гранулы горючей водорастворимой присадки, снимают с их поверхности «шубу» - различные соединения и, растворяя их в своем потоке, выносят на поверхность.
Отбор высококонцентрированного водного раствора присадки из цистерны запаса 1 в последующую расходную цистерну 20 раствора низкой концентрации производится по трубопроводу 17 высококонцентрированного раствора, на котором установлен фильтр 18, подающий насос 19 (фиг.1). Самопроизвольное перетекание жидкости из цистерны запаса 1 в расходную цистерну 20 или наоборот предотвращается наличием невозвратных клапанов (не показаны) подающего насоса 19, установленного на трубопроводе 17 высококонцентрированного раствора.
Замер концентрации горючей водорастворимой присадки в расходной цистерне 20, содержащей ее низкоконцентрированный раствор, производится ареометром 27 с датчиком сигнала (фиг.3). При определении в расходной цистерне 20 предельного (заданного) значения низкой или высокой плотности раствора ареометр 27 дает соответствующий сигнал на аппаратуру пуска-остановки подающего насоса 19, расположенную в электрощите (не показано). Таким образом, при достижении в расходной цистерне 1 предельно низкой (заданной) концентрации присадки ареометр 27 подает сигнал на включение подающего насоса 19, и из цистерны запаса 1 через фильтр 18 по трубопроводу высококонцентрированного раствора 17 в расходную цистерну 20 подается высококонцентрированный раствор горючей присадки. При достижении в расходной цистерне 20 верхнего (заданного) уровня концентрации присадки ареометр 27 подает управляющий сигнал на остановку подающего насоса 19 и подача высококонцентрированного раствора присадки из цистерны запаса 1 прекращается. Процесс многократно повторяется и заданная концентрация горючей водорастворимой присадки в расходной цистерне 20 поддерживается автоматически.
Рабочий уровень жидкости в расходной цистерне 20 поддерживается также автоматически путем пуска - остановки питательного насоса 22, расположенного на питательном трубопроводе 21 данной цистерны. При этом в расходной цистерне 20 установленные четыре датчика уровня жидкости типа «Монбрей» 23, 24, 25, 26 соответственно верхнего аварийного уровня, верхнего уровня, нижнего уровня, нижнего аварийного уровня, которые срабатывают и подают соответствующий управляющий сигнал на аппаратуру пуска - остановки питательного насоса 22, которая установленна в электрощите (не показано). При срабатывании датчика «Монбрей» нижнего (рабочего) уровня 25 подается управляющий сигнал на включение питательного насоса 22 и вода по питательному трубопроводу 20 поступает в расходную цистерну 20. Далее при наполнении расходной цистерны 20 водой происходит срабатывание датчика «Монбрей» верхнего уровня жидкости 23, подается управляющий сигнал на выключение питательного насоса 22, насос останавливается и подача воды в расходную цистерну 20 прекращается. Процесс повторяется автоматически. В случае переполнения водой расходной емкости 20 или наоборот, упуска воды из данной емкости, происходит срабатывание соответствующего датчика «Монбрей» верхнего аварийного уровня 23 или нижнего аварийного уровня 26 жидкости. При этом в первом случае работа питательного насоса 22 прекращается и в обоих случаях включается световая и звуковая сигнализация (не показана) для вызова обслуживающего персонала и поиска неисправности.
Для избежания засорения фильтра 18, расположенного на трубопроводе 17 - высококонцетрированного раствора, нерастворенными гранулами горючей присадки выбор горизонтальной площади цистерны запаса 1 производится согласно заявленному соотношению. Из расходной цистерны 20 по трубопроводу 28 - рабочего низкоконцентрированного раствора горючая водорастворимая присадка поступает к элементам энергетической установки судна через фильтр 29, насос-дозатор 30.
Данное использование устройства сложности не представляет, обеспечивает надежную подачу присадки к энергетической установке судна, а сравнительно невысокая, указанная величина площади поверхности цистерны запаса позволяет использовать его даже применительно к судам небольшого водоизмещения.