RU143472U1

RU143472U1 - DEVICE FOR PREPARING A WATER-FUEL EMULSION

Info

Publication number: RU143472U1
Application number: RU2013141939/05U
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Моксунов; Анатолий Альбертович Чернов; Валерий Иванович Татаренко
Original assignee: Владимир Владимирович Моксунов
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-07-27

Abstract

1. Устройство для приготовления водно-топливной эмульсии, содержащее 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, отличающееся тем, что длина камеры смешения выполнена равной её 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 её средней части, а длина цилиндрического канала для подачи воды составляет не менее 30 его диаметров.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что 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.1. A device for preparing a water-fuel emulsion, comprising a mixer in the form of a cylindrical mixing chamber, to which a nozzle for supplying fuel and a cylindrical channel for supplying water installed perpendicular to the axis of the chamber, an inlet pipe for supplying fuel to the mixer and an outlet pipe feeding the emulsion from the mixer to the filter of the circulating pump of the combustion device, characterized in that the length of the mixing chamber is made equal to its diameter, the cylindrical channel for supplying water is made n with a diameter of not more than 1/3 of the diameter of the mixing chamber, its inlet to the displacement chamber is located in its middle part, and the length of the cylindrical channel for supplying water is at least 30 of its diameters. 2. The device according to claim 1, characterized in that the outlet pipe for supplying the emulsion from the mixer to the filter of the circulating pump of the burner device is made with a diameter of at least two diameters of the mixing chamber and a length within 3-4 own diameters.

Description

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.The utility model relates to the field of oil refining and petrochemicals and can be used in tasks of more efficient use of oil products, in particular heavy gas oil and fuel oil as fuel.

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.Back in 1981, the efficiency of using a water-fuel emulsion was shown. In [1], the results of experiments on the combustion of single drops of diesel fuel and its aqueous emulsions are presented. The determining parameters in these experiments varied widely: the volume fraction of water (0-0.3), the concentration of surface-active substance (surfactant) (0-0.05), the initial temperature of the liquid (298-380 K), the temperature of the gas in the combustion chamber (400 -950 K), pressure in the combustion chamber (0.44-3.92 MPa), oxygen concentration in the combustion chamber (0.16-0.75). The initial diameter of the droplets of the emulsion was equal to 1600 microns. The average diameter of water droplets in the emulsion is 2 microns. Experimental results show that emulsion droplets burn with microexplosion. The degree of fragmentation of the emulsion droplets increases with increasing water content, surfactant concentration, initial liquid temperature, oxygen concentration and temperature in the combustion chamber, but only slightly depends on pressure. At low water contents, there was only a slight tendency to microexplosion. Emulsion droplets are more difficult to ignite than pure fuel droplets. For them, a shorter flame in the wake was observed than for drops of pure fuel. In addition, their flame had a light yellow color, uneven edges, showed sudden changes in width and length and sporadic splitting into several flames.

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).Thus, a significant part of the droplet's lifetime in a water-fuel emulsion is occupied by the period of thermal expansion caused by the formation and expansion of vapor bubbles inside the droplet. Another relatively short period associated with a rapid decrease in droplet size can be conventionally interpreted as the period of its microexplosion. When a drop of a water-fuel emulsion is burned, less soot, CO and NO are formed than when a drop of pure fuel is burned. The optimal ratio between fuel and water is 20: 1 (5% water by volume).

Существуют различные способы приготовления водно-топливной эмульсии.There are various methods for preparing a water-fuel emulsion.

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.Known patent of the Russian Federation No. 2320709, C10L 1/32, 03/27/2008 on "Method for producing a fuel emulsion." The method of producing a fuel emulsion from a hydrocarbon fuel base and water, comprising a surfactant and a modifier comprising mixing a hydrocarbon base with water, a surfactant and a modifier, is characterized in that water-soluble oxidizing agents are used as a modifier and mixed with water before entering the fuel emulsion.

Недостатком указанного способа является необходимость химических добавок и применение дозирующих устройств для введения их в топливо.The disadvantage of this method is the need for chemical additives and the use of metering devices for introducing them into the fuel.

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.There is a patent of the Russian Federation No. 2119529, IPC 6 C10L 1/32, 09/27/1998, on a method for preparing a water-oil fuel emulsion. The essence of the invention lies in the fact that the dispersion of waterlogged fuel oil is produced by exposure to a water-oil mixture of acoustic vibrations with an intensity of 50-150 W / cm2, a frequency of 4-6 kHz. Also known other ultrasonic devices [2] give high-quality fuel mixtures, but have low productivity, are unreliable in operation and require increased energy consumption.

Таким образом, недостатком такого типа изобретений является использование дорогостоящего оборудования с большим потреблением электрической энергии.Thus, the disadvantage of this type of invention is the use of expensive equipment with a large consumption of electric energy.

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.A known method of preparing emulsions using a transonic device containing a nozzle for supplying a working medium, means for supplying emulsifiable components and a mixing chamber (patent SU 1669519 A1, IPC5 B01F 5/04, A23C 11/00, publ. 1991). In this device, steam is used as the working medium, and the disadvantage limiting the use of this device is the reduced range of the ratio of the working and homogenized medium, since steam, having a high heat capacity, already at a content of more than 10% in it, leads to a significant increase in the temperature of the mixture and the volume content of the vapor (gas) component in the mixture, as a result of which the speed of sound in the mixture sharply increases (its compressibility decreases) before the pressure jump, which sharply reduces the intensity pressure jump and leads to a deterioration in the quality of the resulting emulsion.

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.Also known is a mixer for preparing a water-fuel emulsion containing a mixing chamber, as well as a fuel and water nozzle for supplying appropriate media to the mixing chamber (patent RU 1761241 A1, IPC5 B01F 5/04, publ. 1992). To eliminate the disadvantage of the device according to the previously mentioned patent by providing the possibility of expanding the range of the ratio of the mixed components in this device, it was proposed to use not water, but cold water, from which gas dissolved in water was released at the outlet of the water nozzle as a working medium for creating a supersonic flow. Moreover, an increase in the speed of the mixture was achieved by increasing the pressures of the working and homogenized medium at the inlet of the device, which, however, led to an increase in energy costs (the need to increase the power of the pumps), and a decrease in the speed of sound in the mixture was achieved by releasing dissolved in water and a homogenized medium gas by reducing the pressure before the jump below the saturation pressure.

Недостатком устройства в результате указанных процессов является нестабильность соотношения воды и топлива перед камерой сгорания.The disadvantage of the device as a result of these processes is the instability of the ratio of water to fuel in front of the combustion chamber.

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.The technical result of the proposed utility model is the creation of a device that allows to obtain a water-fuel emulsion with a stable ratio of water and fuel directly in front of the combustion chamber, which has a low cost and the absence of additional energy consumption for preparing the emulsion.

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.The way to achieve this result with a useful model is to design a special mixer in combination with a standard centrifugal pump of a combustion device immediately before burning liquid fuel (mining, oil, diesel, biofuel). The dimensions of the mixer are selected using mathematical modeling so that the amount of water at the pump inlet is 5% by volume of the total amount of liquid. This amount is optimal according to the literature.

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.The specified technical result in a device for preparing a water-fuel emulsion containing a mixer in the form of a cylindrical mixing chamber, to which a nozzle for supplying fuel and a cylindrical channel for supplying water installed perpendicular to the axis of the chamber, an inlet pipe for supplying fuel to the mixer and an outlet the pipeline for supplying the emulsion from the mixer to the filter of the circulation pump of the burner device is achieved by the fact that the length of the mixing chamber is made equal to its diameter, cylindrical The water supply channel is made with a diameter of not more than 1/3 of the diameter of the mixing chamber, its inlet to the displacement chamber is located in its middle part, and the length of the cylindrical channel for water supply is at least 30 of its diameters.

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.In addition, the outlet pipe for supplying the emulsion from the mixer to the filter of the circulating pump of the burner device is made with a diameter of at least two diameters of the mixing chamber and a length within 3-4 own diameters.

Эффект в использовании устройства достигается в виде малой стоимости и стабильности соотношения горючего и воды в полученной смеси.The effect in the use of the device is achieved in the form of low cost and stability of the ratio of fuel and water in the resulting mixture.

На фиг.1 показана схема предлагаемого нами устройства приготовления водно-топливной эмульсии.Figure 1 shows a diagram of our proposed device for preparing a water-fuel emulsion.

На фиг.2, 3 показаны разные стадии процесса образования водно-топливной эмульсии по длине и поперечному сечению выходного трубопровода, соответственно.Figure 2, 3 shows the different stages of the process of forming a water-fuel emulsion along the length and cross section of the outlet pipe, respectively.

На фиг.4 (а, б, в) показан пример осуществления полезной модели с приведением экспериментальных данных.Figure 4 (a, b, c) shows an example implementation of a utility model with experimental data.

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.A device for preparing a water-fuel emulsion, comprises a mixer 1 in the form of a cylindrical mixing chamber 2, to which a nozzle for supplying fuel 3 mounted along the axis of the chamber and a cylindrical channel 4 for supplying water, an inlet pipe 5 for supplying fuel to the mixer and the outlet pipe 6 for supplying the emulsion from the mixer to the filter 7 of the circulation pump 8 of the combustion device (not shown). The length of the mixing chamber 2 is made equal to its diameter, the cylindrical channel 4 for water supply is made with a diameter of not more than 1/3 of the diameter of the mixing chamber 2, its inlet to the displacement chamber is located in its middle part, and the length of the cylindrical channel 4 for water supply is at least 30 of its diameters. This ratio of the dimensions of the structural elements of the device provides optimal conditions for the flow and mixing of the flows of working fluids (water and fuel) and, accordingly, a stable ratio of water and fuel directly in front of the combustion chamber of the combustion device.

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.The outlet pipe 6 for supplying the emulsion from the mixer to the filter 7 of the circulation pump 8 of the combustion device is made with a diameter of at least two diameters of the mixing chamber 2 and a length within 3-4 own diameters.

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.The operation and operation of the device for the preparation of a water-fuel emulsion occurs under the influence of a circulation pump that creates a relatively small pressure differential at the input and output of the device. This pressure differential provides the necessary energy for the suction of fuel and water into the mixing chamber, the formation of a water-fuel emulsion and its subsequent supply to the combustion device. Additional energy and energy consumption for the preparation of the emulsion is not required.

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.Figure 1 shows a diagram of our proposed device for preparing a water-fuel emulsion. A tube of a smaller diameter resists water in such a way that its amount inside the mixer is not more than 5%. Figure 2, 3 presents the simulation results of the formation of a water-fuel emulsion, which justify the design of the mixer. The different stages of the process of water-fuel emulsion formation and the degree of mixing along the length and cross section of the outlet pipe 6 are shown. As a result of field tests for an OMNI OWBC-type oil burner, this device was found to operate stably with a fuel consumption in the range of 3-12 liters per hour for the following types of fuel: used automobile engine oil, industrial oil, turbine oil, diesel fuel, gear oil with viscosity up to 90W (SAE). The result of 3 months of operation of the device in winter showed a significant reduction in soot pollution of the combustion chamber compared to the same period of operation of the OMNI type burner without using the device, which reduces the energy consumption for additional heating and cleaning of the combustion chamber. Figure 4 (a, b, c) shows specific examples of the implementation of a utility model with experimental data.

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.Thus, a technical result is achieved by using the proposed utility model, which is the creation of a device that allows to obtain a water-fuel emulsion with a stable ratio of water and fuel directly in front of the combustion chamber, which has a low cost and the absence of additional energy consumption for preparing the emulsion.

Литература.Literature.

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. 349-59.1. Gollahalli, S.R., M.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", 19632. A.N. Ivanovna. Kantorovich. "Fuel emulsions and suspensions", M., "Metallurgizdat", 1963

Claims

1. A device for preparing a water-fuel emulsion, comprising a mixer in the form of a cylindrical mixing chamber, to which a nozzle for supplying fuel and a cylindrical channel for supplying water installed perpendicular to the axis of the chamber, an inlet pipe for supplying fuel to the mixer and an outlet pipe feeding the emulsion from the mixer to the filter of the circulating pump of the combustion device, characterized in that the length of the mixing chamber is made equal to its diameter, the cylindrical channel for supplying water is made n with a diameter of not more than 1/3 of the diameter of the mixing chamber, its inlet to the displacement chamber is located in its middle part, and the length of the cylindrical channel for supplying water is at least 30 of its diameters.

2. The device according to p. 1, characterized in that the outlet pipe for supplying the emulsion from the mixer to the filter of the circulating pump of the burner device is made with a diameter of at least two diameters of the mixing chamber and a length within 3-4 own diameters.