Russian Federation
The work presents a device for producing a waterfuel oil emulsion. It has been proven and experimentally confirmed that the presence of water in the fuel in a finely dispersed state leads to the phenomenon of socalled "microexplosion", which causes a secondary, more intense fragmentation of the fuel and a more complete mixing of it with the oxidizer
water-fuel emulsion, fuel oil, microexplosion, dispersant
Экономия энергоресурсов является наиважнейшей задачей не только в нашей стране, но и во всём мире. В настоящее время на нефтеперерабатывающих и других производствах в качестве топлива используется главным образом мазут. В то же время растёт глубина переработки нефти, вследствие чего рациональное использование мазута может быть задачей ближайшего будущего. Известно, что добавка воды в мазут в виде тонкой дисперсии улучшает процесс горения [1]. Проблема использования водотопливных эмульсий (ВТЭ) насчитывает более ста лет с момента своего возникновения. За этот период сформирован обширный массив теоретических и практических данных, охватывающих различные аспекты данного направления. Согласно сведениям, приведённым в работах [1], первые попытки улучшения сгорания нефти за счёт добавления воды были предприняты ещё в Астраханской губернии. Начиная с 1920‑х годов в различных странах активно велась патентная деятельность в области совместного применения топлива и воды. Было зарегистрировано значительное число патентов, посвящённых использованию таких смесей в тепловых двигателях, котлах и других энергетических установках.
Одним из главных свойств ВТЭ является размер (диаметр) капель воды. В литературе этот диаметр, как в экспериментах, так и при анализе физических моделей горения ВТЭ, принимается от 1 мкм и существенно выше. При этом имеются определенные трудности в расчетах по определению времени прогрева капель, времени до разрыва капель ВТЭ паровой фазой микрокапель воды и времени сгорания ВТЭ. Существует устоявшееся представление о механизме микровзрыва капель ВТЭ. Согласно этой концепции, процесс включает следующие этапы:
- нагрев капель воды в ВТЭ до температуры кипения;
- кипение воды с интенсивным образованием пара;
- первый микровзрыв (разрыв) капель ВТЭ вследствие парообразования;
- возможные разрывы (взрывы) вторичных капель;
- серия последовательных взрывов.
Эта модель в целом подтверждается как теоретическими расчётами, так и экспериментальными наблюдениями.
В данной работе теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что наличие воды в топливе в тонкодисперсном состоянии приводит к явлению так называемого «микровзрыва», который вызывает вторичное более интенсивное дробление топлива и более полное перемешивание его с окислителем. В результате в 2–3 раза уменьшается сажеобразование и снижается выброс экологически вредных веществ в атмосферу. Исследования показали, что добавка 10 % воды в мазут практически не влияет на температуру горения. В то же время повышение влагосодержания продуктов сгорания ведёт к увеличению коэффициента теплоотдачи за счёт излучения примерно на 10 %. Таким образом, добавка воды в мазут экономически и экологически выгодна, и задача заключается в соответствующей подготовке водомазутной эмульсии перед подачей её на сжигание.
Предлагается достаточно простая проточная схема с непрерывнодействующим узлом смешения, изображённая на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема установки для получения водомазутной эмульсии:
1 – аппарат с вибромешалкой (диспергатор); 2 – инжектор; 3 – форсунка; 4 – напорный бачок; 5 – ротаметр; 6 – сборник топливной эмульсии.
Для лучшего диспергирования воды в мазуте потоки первоначально грубо перемешиваются в инжекторе. Это исключает образование крупных включений воды, которые впоследствии пришлось бы дробить перемешивающим устройством, что увеличило бы время эмульгирования. Также достоинством данной схемы является наличие комплекса «диспергатор и инжектор», что исключает необходимость установки специального насоса для подачи воды [2]. Вода поступает в напорный бак, что исключает случайное попадание мазута в водную магистраль.
Перемешивание осуществляется в аппарате с пружинной вибромешалкой (диспергаторе) [3], в котором в качестве уплотнения можно использовать двойное сильфонное уплотнение (рисунок 2). Это уплотнение обеспечивает высокую степень герметизации аппарата при малых потерях энергии на приводе.
Рисунок 2 – Двойное сильфонное уплотнение: 1 – верхний сильфон; 2 – нижний сильфон; 3 – крышка; 4 – шток; 5 – крепёж сильфона к штоку; 6 – крепёж сильфона к крышке; 7 – полость аппарата.
В уплотнении используются два зеркально установленных относительно крышки сильфона. Верхняя часть верхнего сильфона и нижняя часть нижнего сильфона закреплены на штоке, а нижняя часть верхнего сильфона и верхняя часть нижнего сильфона закреплены на крышке. Полости сильфонов соединены между собой через зазор между штоком и крышкой. В нижний сильфон заливается определённый объём жидкости, с помощью которого благодаря возвратно – поступательному движению штока, при сжатии сильфона вследствие сжатия воздуха повышается давление внутри него, что предотвращает деформацию гофр сильфона и способствует качественному уплотняющему эффекту.
Малая жёсткость стенок сильфонов позволяет значительно снизить потери мощности в уплотнении и соответственно снизить общие затраты энергии приводного механизма, передаваемого возвратно-поступательные перемещения необходимой частоты и амплитуды рабочему органу, в данном случае виброперемешивающему уст-ройству.
В работе были проведены исследования процесса получения качественной эмульсии. Плотность компонентов и смеси приведена в таблице 1.
Опыты проводились в условиях, близким к реальным, а именно, при температуре 60 – 80 °С и содержании воды в мазуте 10 %. Наблюдения проводились визуально и с помощью микрофотографирования через 10, 15 и 20 с перемешивания. Перемешивание в течение 10 с обеспечивает наличие сравнительно крупных капель воды в мазуте, в то же время при смешении в течение 15 и 20 с получаемая эмульсия значительно тоньше и максимальные размеры капель не превышают 15 мкм. Сравнение микрофотографий, выполненных через 15 и 20 с перемешивания не обнаружили существенной разницы в размерах и распределении частиц. Поэтому можно принять необходимое время получения водомазутной эмульсии 15 с.
Таблица 1 – Плотность воды, мазута и смеси при различных температурах
|
Температура, °С |
Плотность, кг/м3 |
||
|
Воды |
Мазута |
Смеси |
|
|
20 40 60 80 |
998 992 983 976 |
915 900 891 879 |
924 909 900 889 |
При производительности форсунок 600 – 700 л/ч достаточно иметь рабочий объём диспергатора 3 л с диаметром корпуса 0,15 м.
Таким образом, в работе разработана схема установки для получения топливной эмульсии, позволяющая экономить топливо. Акцентировано внимание на устройстве диспергирующего устройства, которое может обеспечить интенсивное перемешивания при малых расходах мощности привода, имея высокую степень герметизации.
1. Komissarov, L.A. O perspektivah primeneniya obvodnennyh topliv v vide emul'siy na teplovyh elektrostanciyah / L.A. Komissarov, V.M. Ivanov, B.N. Sme-tanikov, V.S. Levanskiy // V kn.: Novye metody szhiganiya topliva i voprosy teorii goreniya. – M.: Nauka, 1972. – S. 103 – 111.
2. Sokolov, E.Ya. Struynye apparaty / E.Ya. Sokolov, N.M. Enger. – M : Energoatom izdat, 1989. – 352 s.
3. Patent № 2586233 Rossiyskaya Federaciya, MPK F16J 3/04 (2006.01). Dvoynoe sil'fonnoe uplotnenie : 2015106756/06 : zayavl. 26.02.2015 : opubl. 10.06.2016 / Sal'kova A.G., Prokop'ev A.A., Podoplelov E.V. ; zayavitel' AnGTU. – 9 s.
