Эмульгатор и способ определения параметров для эмульгатора - RU2563410C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Область техники и уровень техники

Данное изобретение относится к эмульгатору и способу определения

параметров для эмульгатора.

В течение многих лет водотопливные эмульсии применяются для улучшения сгорания в дизельных двигателях и котлах. В опубликованном подробном исследовании сгорания капелек водотопливной эмульсии объясняется, что причиной улучшенного сгорания эмульсии является эффект вторичного микровзрыва. На фиг.1a в увеличенном и упрощенном виде изображена капля 102 топлива под высоким давлением. В капле 102 топлива содержатся частицы 101 воды, образующие эмульсию, и эффект вторичного микровзрыва вызывается взрывным вскипанием 103 перегретых микроскопических частиц 101 воды в капле 102 топлива при впрыскивании капли в камеру сгорания двигателя или котла, как показано на фиг.1b. На фиг.1c показаны результаты вторичных микровзрывов частиц воды в топливе, которые создают более мелкую топливную взвесь 104 и способствуют смешиванию топлива с воздухом, что приводит к лучшему сгоранию.

Предпочтительно, чтобы объемное содержание воды в водотопливной эмульсии составляло от 6 до 40 процентов и чтобы равномерно распределенные частицы воды имели средний размер от 2 до 6 микрон. Основные факторы, влияющие на эффект вторичного микровзрыва, - это (1) объемное содержание воды в топливе и (2) средний размер и распределение частиц воды в топливе.

Известно несколько способов получения водотопливных эмульсий. Примером одного из таких способов является использование механических мешалок. Такие устройства содержат механически движущиеся части, например вращающиеся шестерни, находящиеся в зацеплении, или вращающиеся зубчатые элементы, которые создают большие поперечные силы, измельчающие воду в смеси воды и топлива с образованием водотопливных эмульсий.

При другом способе получения водотопливных эмульсий используется ультразвук, то есть звук с частотой выше 18000 Гц (неслышимый для человеческого уха). Быстрые и мощные колебания измельчают и воду, и топливо на мелкие капли и способствуют их взаимопроникновению, что приводит к образованию водотопливной эмульсии.

Такие известные способы получения водотопливных эмульсий, однако, имеют недостаток, заключающийся в том, что в нем используются механические, электрические или электронные элементы, требующие технического обслуживания и замены. В любом случае, такие способы не обеспечивают надежного создания водотопливных эмульсий с требуемым содержанием воды и размером частиц.

В документе GB 2233572 описан эмульгатор, который не имеет движущихся механических, электрических или электронных частей. Под эмульгатором понимается устройство для получения водотопливной эмульсии. Пример такого эмульгатора приведен на фиг.2, где показано поперечный разрез эмульгатора 200. Эмульгатор 200 содержит группу форсунок 201, смесительную камеру 202 и блок 203 диффузора со смесительными пластинами 204. Кроме того, эмульгатор 200 содержит водяной вход 205a и топливный вход 206a. Топливо подается в смесительную камеру 202 через топливный вход 206а и вода 205 впрыскивается в топливо 206 перпендикулярно направлению подачи топлива в смесительную камеру 202 через группу форсунок 201 на периферии смесительной камеры 202 для образования требуемых водотопливных эмульсий 207 на выходе 208 эмульгатора. Перемешивание воды и топлива вызвано гидродинамическими силами сдвига, вследствие обмена в смесительной камере 202 импульсами сил между топливом и перпендикулярными струями воды. К сожалению, такой эмульгатор также не обеспечивает надежное создание водотопливных эмульсий с требуемыми характеристиками.

Одна из задач заявляемого изобретения заключается в создании эмульгатора и способа определения параметров для такого эмульгатора, в которых устранены известные из уровня техники недостатки, и/или в расширении арсенала технических средств.

Сущность изобретения

Первым объектом заявляемого изобретения является способ определения параметров для целевого эмульгатора для создания конкретных водотопливных эмульсий, соответствующих эмульсиям, создаваемым эталонным эмульгатором. Целевой эмульгатор и эталонный эмульгатор содержат соответственно целевую и эталонную смесительную камеру для смешивания топлива и воды.

Заявляемый способ содержит следующие этапы:

(I) определение размера целевой смесительной камеры для целевого эмульгатора исходя из размера эталонной смесительной камеры эталонного эмульгатора, причем указанный определенный размер целевой смесительной камеры обеспечивает турбулентный режим течения в целевой смесительной камере;

(II) вычисление относительного размера частиц воды исходя из указанного определенного размера;

(III) определение размера для по меньшей мере одной форсунки целевого эмульгатора для впрыска воды в топливо в целевой смесительной камере исходя из вычисленного относительного размера частиц воды.

Под эмульгатором понимается устройство для создания эмульсий из воды и топлива.

С помощью заявляемого способа, в соответствии с одним из вариантов изобретения, можно получить такие параметры для элементов целевого эмульгатора, при которых целевой эмульгатор будет создавать водотопливные эмульсии с заданным составом, например с заданным содержанием воды и/или заданными размерами частиц воды. Например, предпочтительно, чтобы целевой эмульгатор был приспособлен для создания водотопливных эмульсий с содержанием воды от 6 до 40% (измеренным как процентное отношение объема воды к объему топлива) и размерами частиц воды в диапазоне от 2 до 6 микрон при вязкости топлива приблизительно от 2,8 до 24 сантистокс при течении через эмульгатор после нагрева, или предпочтительнее от 2,8 до 14 сантистокс при течении через эмульгатор после нагрева.

При этом этап (I) дополнительно включает в себя (IV) вычисление предварительного размера целевой смесительной камеры для целевого эмульгатора исходя из размера эталонной смесительной камеры эталонного эмульгатора, и (V) проверку того, обеспечит ли указанный предварительный размер целевой смесительной камеры турбулентный режим течения в целевой смесительной камере. Если указанный предварительный размер обеспечит турбулентный режим течения, то способ включает в себя использование указанного предварительного размера в качестве указанного определенного размера.

В противном случае, если указанный предварительный размер не обеспечивает турбулентный режим течения, то способ включает в себя (VI) уточнение указанного предварительного размера и выполнение этапа (V) до тех пор, пока не будет определен уточненный размер, обеспечивающий турбулентный режим течения в целевой смесительной камере, и использование уточненного размера в качестве указанного определенного размера.

Этап (V) предпочтительно содержит вычисление соответствующих чисел Рейнольдса топливного потока для эталонного эмульгатора и для целевого эмульгатора. Способ может дополнительно содержать этап сравнения вычисленных чисел Рейнольдса с диаграммой Муди, чтобы проверить, обеспечит ли указанный определенный размер турбулентный режим течения.

Этап (III) может включать в себя определение относительного размера форсунки по эмпирической размерной модели эталонного эмульгатора исходя из вычисленного относительного размера частиц воды.

Способ может дополнительно содержать определение размера форсунки исходя из указанного определенного относительного размера форсунки и определенного размера.

Указанная эмпирическая размерная модель может включать в себя график изменения относительного размера форсунки в зависимости от изменения относительного среднего размера частиц воды. Указанный эталонный размер эталонного эмульгатора может содержать диаметр эталонной смесительной камеры и расход топлива эталонной смесительной камеры.

Указанный определенный размер может содержать диаметр целевой смесительной камеры целевого эмульгатора.

Содержание воды и размер частиц воды в эмульсии, создаваемой целевым эмульгатором, предпочтительно соответствует содержанию воды и размеру частиц воды в эмульсии, создаваемой эталонным эмульгатором. Содержание воды предпочтительно составляет от 6 до 40%, измеренное как процентное отношение объема воды к объему топлива, и размер частицы воды составляет по существу от 2 до 6 микрон.

Кроме того, способ может дополнительно содержать определение количества водяных форсунок для целевого эмульгатора.

Для упрощения процесса результаты, определенные с помощью вышеупомянутых способов, могут быть представлены в виде таблицы эталонных параметров. Так возникает второй объект изобретения, который представляет собой способ определения параметров для целевого эмульгатора для создания конкретных водотопливных эмульсий при заданном расходе топлива с помощью таблицы эталонных параметров. Таблица эталонных параметров, определенная вышеупомянутым способом, содержит значения размеров целевой смесительной камеры и соответствующие значения размеров целевых водяных форсунок при соответствующих целевых расходах топлива. Способ содержит нахождение одного из целевых расходов топлива, соответствующего заданному расходу топлива; определение соответствующих значений размеров целевой смесительной камеры и целевых водяных форсунок исходя из найденного расхода топлива; использование указанных соответствующих значений размеров в качестве параметров для целевого эмульгатора.

Этап нахождения может содержать интерполирование двух целевых расходов топлива для нахождения интерполированного расхода топлива, который соответствует заданному расходу топлива; и определение соответствующих значений размеров целевой смесительной камеры и целевых водяных форсунок исходя из указанного интерполированного расхода топлива.

С помощью вышеописанных способов может быть определен целевой эмульгатор, обеспечивающий надежное создание продукта с заданными характеристиками. Соответственно, третьим объектом заявляемого изобретения является эмульгатор для создания водотопливных эмульсий, содержащий смесительную камеру для смешивания топлива и воды с диаметром от приблизительно 8 мм до приблизительно 47 мм; топливный вход для направления топлива в смесительную камеру при расходе от приблизительно 0,6 м³/час до приблизительно 108 м³/час; и по меньшей мере одну форсунку, выполненную с возможностью принимать воду из водяного входа и впрыскивать воду в смесительную камеру, причем диаметр указанной по меньшей мере одной форсунки составляет приблизительно от 0,5 до 6,6 мм.

Эмульгатор может быть приспособлен для создания водотопливных эмульсий с размером частиц воды от 6% до 40% (и предпочтительно от 6 до 12%), измеренным как процентное отношение объема воды к объему топлива, и размерами частиц воды по существу от 2 до 6 микрон. Причем указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 8 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 0,5 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 0,6 м³/час.

Ниже описаны другие варианты значений указанных параметров:

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 10 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 1,1 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 3 м³/час. Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 12 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 1,55 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 6 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 14 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 1,9 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 9 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 16 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 2,2 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 12 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 18 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 2,5 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 15 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 19 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 2,7 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 18 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 21 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 2,95 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 21 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 26 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 3,7 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 33 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 35 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 4,95 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 60 м³/час.

Указанная смесительная камера имеет диаметр приблизительно 47 мм, указанная по меньшей мере одна водяная форсунка имеет диаметр приблизительно 6,6 мм и указанный топливный вход выполнен с возможностью подачи топлива в смесительную камеру при расходе приблизительно 108 м³/час.

При этом заявляемый эмульгатор предпочтительно содержит четыре водяные форсунки. Кроме того, топливо имеет вязкость от 2,8 сантистокс до 24 сантистокс, измеренную после нагрева.

Четвертым объектом заявляемого изобретения является способ конструирования и определения размеров элементов целевого эмульгатора для определения водотопливных эмульсий, предпочтительно, но не только, с содержанием воды от 6 до 40% и с размерами частиц от 2 до 6 микрон, который содержит этапы определения конструкции и размеров элементов целевого эмульгатора на основе эталонного эмульгатора, способность которого создавать водотопливные эмульсии с содержанием воды от 6 до 40% и с размерами частиц воды от 2 до 6 микрон подтверждена испытаниями.

Следует иметь в виду, что признаки одного объекта изобретения также могут быть применимы к другим объектам изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых;

На фиг.1a в упрощенном и увеличенном виде изображена частица воды в топливе.

Фиг.1b иллюстрирует эффект вторичного микровзрыва водотопливной частицы, когда частица нагрета до высокой температуры и впрыснута в камеру сгорания двигателя.

Фиг.1c иллюстрирует результат эффекта вторичного микровзрыва, который создает более мелкое распыление топлива и улучшенную смесь топлива с воздухом для сгорания.

На фиг.2 схематично показан эмульгатор для создания водотопливных эмульсий, содержащий смесительную камеру, водяные форсунки, диффузор и смесительные лопатки.

На фиг.3 представлена наглядная схема, иллюстрирующая использование эмпирической размерной модели, определенной на основе эталонного эмульгатора, для определения параметров требуемого эмульгатора.

Фиг.4 представляет собой график определенной эмпирической размерной модели эталонного эмульгатора, показанного на фиг.3, способность которого создавать водотопливные эмульсии с объемным содержанием воды от 6 до 40% и размером частиц воды от 2 до 6 микрон подтверждена испытаниями.

На фиг.5a представлено типичное изображение увеличенных водотопливных частиц, произведенных эталонным эмульгатором, показанным на фиг.3.

Фиг.5b представляет собой график, на котором показаны результаты измерений размеров и распределения частиц воды, показанных на фиг.5a.

На фиг.6 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая этапы способа использования эмпирической размерной модели, показанной на фиг.4, для определения элементов целевого эмульгатора для создания водотопливных эмульсий с конкретным содержанием воды и размерами частиц воды.

На фиг.7 показана типичная диаграмма Муди, которая используется для определения того, находятся ли потоки топлива эталонного и целевого эмульгатора, показанных на фиг.3, в области турбулентного режима течения.

На фиг.8 показана таблица, содержащая вычисленные величины выбранных параметров целевого эмульгатора, а именно диаметры смесительной камеры и диаметры водяных форсунок, определенные с помощью способа, показанного на фиг.6, для различных расходов топлива и четырех водяных форсунок.

На фиг.9 показан график зависимости диаметра смесительной камеры, значения которого приведены на фиг.8, от расхода топлива.

На фиг.10 показан график зависимости диаметра водяных форсунок, значения которого приведены на фиг.8, от расхода топлива.

На фиг.11 показан график зависимости диаметра смесительной камеры от диаметра водяных форсунок, значения которых приведены на фиг.8.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В описании используются следующие определения:

Водотопливные эмульсии - смесь воды и топлива, в которой капли топлива содержат много мелких частиц воды, равномерно распределенных в топливе.

Эмульгатор - это смесительное устройство, которое смешивает воду и топливо, чтобы произвести водотопливные эмульсии.

Эталонный эмульгатор - это эмульгатор, способность которого создавать водотопливные эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды подтверждена испытаниями.

Целевой эмульгатор - это эмульгатор, который нужно сконструировать и размеры которого нужно определить таким образом, чтобы он создавал такие же водотопливные эмульсии, как эталонный эмульгатор.

Водяные форсунки - элементы эмульгатора, через которые под высоким давлением и с большой скоростью производится впрыскивание струй воды в смесительную камеру эмульгатора.

Содержание воды - количество воды в топливе по объему, измеренное как процент воды по объему в топливе.

Размер частиц воды - диаметр частиц воды в топливе. Смесительная камера - элемент эмульгатора, через который протекает топливо и в котором струи воды впрыскиваются и смешиваются с топливом для создания водотопливных эмульсий.

Элементы эмульгатора - смесительная камера, водяные форсунки, количество водяных форсунок, диффузор и смесительные пластины эмульгатора. Плотность - физическое свойство, измеряемое как масса на единицу объема (кг/м³).

Вязкость - мера сопротивления жидкости течению, измеряемая при определенной температуре в сантистоксах. Вязкость жидкости зависит от температуры.

Поверхностное натяжение - мера энергии когезионной связи на поверхности жидкости.

Безразмерный коэффициент - числовой коэффициент, который не содержит никаких единиц измерения типа массы, длины или времени.

Анализ размерностей - метод, используемый для проверки достоверности определенных зависимостей и отношений. Он также используется для формирования обоснованных гипотез о сложных физических процессах, которые могут быть проверены экспериментально, и для классификации типов физических величин и единиц на основе их отношения к другим единицам или в зависимости от других единиц, или их «размерности», или их отсутствия.

Размерная модель - эмпирические зависимости, взаимосвязи или гипотезы сложных физических процессов, определенные с помощью анализа размерностей.

Число Рейнольдса - безразмерный коэффициент, который используется в гидродинамике для определения подобия режимов течения двух различных потоков.

Диаграмма Муди - безразмерный график, который используется для определения подобия режимов течения двух различных потоков по числу Рейнольдса в тех случаях, когда поверхности имеют сходную шероховатость. Турбулентное течение - режим течения жидкости, который характеризуется хаотичным и случайным изменением свойств.

Как поясняется выше, эмульгатор 200 на фиг.2 выполнен с возможностью создания водотопливных эмульсий, однако не позволяет точно и надежно создавать эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды. Иными словами, конструирование эмульгатора 200 производится методом проб и ошибок, что является долгим и дорогостоящим процессом, лишенным гибкости. В данном варианте изобретения приведен пример определения таких параметров эмульгатора 200, что требуемое содержание воды и требуемые размеры частиц воды могут быть заданы. Содержание патента GB 2233572 включено в данную заявку путем ссылки с целью предоставления дополнительной информации, поясняющей принцип работы эмульгатора (или аппарата для создания водотопливных эмульсий).

Целесообразно начать с объяснения технических основ, чтобы отметить преимущества и технические результаты описанного варианта изобретения, в частности, как получить параметры целевого эмульгатора 303 на основе эталонного эмульгатора 301 (см. фиг.3). При этом и целевой эмульгатор 303, и эталонный эмульгатор 301 имеют конструкцию, аналогичную эмульгатору 200.

Следует отметить, что на тип водотопливных эмульсий, создаваемых эмульгатором 200, могут влиять следующие параметры:

a) скорость потока топлива V_f

b) скорость потока воды V_w

c) число водяных форсунок, k

d) диаметр водяных форсунок, d

e) диаметр смесительной камеры, D

f) вязкость топлива, µ_f

g) вязкость воды, µ_w

h) плотность топлива, ρ_f

I) плотность воды, ρ_w

j) поверхностное натяжение воды в топливе, σ

k) процентное содержание воды в топливе по объему, n

I) средний размер частиц воды в микронах, p.

В соответствии с методами анализа размерностей (описанными в таких книгах, как (1) Fundamentals of Fluid Mechanics by Bruce R. Munson, Donald F,Young and Theodore H Okiishi; published by John Wiley & Sons, Inc (2) Mechanics of Fluids by Massey B.S.; published by Van Nostrand Reinhold Co) параметры, которые могут влиять на работу эмульгатора, создающего водотопливные эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды, выражаются следующими безразмерными коэффициентами:

a) относительный средний размер частиц воды, p/D

b) число Рейнольдса для топлива, (ρ_f V_f D)/µ_f

c) относительный размер форсунки, d/D

d) соотношение скоростей, V_w/V_f

e) число Вебера, σ/(ρ_fD V_f²)

f) относительная плотность, ρ_f/ρ_w

g) коэффициент вязкости, µ_f/µ_w.

Для полностью аналогичной работы двух эмульгаторов различных размеров, создающих одинаковую эмульсию с заданными содержанием воды и размерами частиц воды, значения всех упомянутых безразмерных коэффициентов должны быть одинаковы/идентичны для указанных двух эмульгаторов.

Следует отметить, что плотность и вязкость воды и топлива, используемых в эталонном эмульгаторе и целевом эмульгаторе, могут быть выбраны одинаковыми. Также известно, что влияние поверхностного натяжения на размер частиц воды имеет второстепенное значение и им можно пренебречь. Таким образом, влиянием числа Вебера, относительной плотности и коэффициента вязкости на производительность целевого эмульгатора при создании водотопливных эмульсий можно пренебречь. Соотношение скоростей V_w/V_f может быть выражено через процентное содержание воды по объему, через относительный размер форсунки d/D и через количество водяных форсунок следующим образом:

Процентное содержание воды в эмульсии по объему, n, вычисляется по формуле:

Следовательно, (V_w/V_f) может быть выражено через процентное содержание воды n, через относительный размер форсунки (d/D) и через количество водяных форсунок, k. Исходя из этого, соотношение скоростей является избыточным безразмерным коэффициентом и его влиянием на создание эмульгатором водотопливных эмульсий также можно пренебречь.

Из экспериментов установлено, что количество водяных форсунок k и процентное отношение объема воды к топливу в диапазоне от 6 до 40% имеют незначительное влияние на размеры создаваемых в эмульгаторе 200 водотопливных частиц. Таким образом, количеством водяных форсунок, k, можно пренебречь.

Непредвиденно, было установлено, что на тип создаваемых эмульгатором водотопливных эмульсий могут влиять следующие три безразмерных коэффициента:

а) относительный средний размер частиц воды, p/D

б) число Рейнольдса для топлива, (ρ_f V_fD)/µ_f

в) относительный размер форсунки, d/D.

Таким образом, для полностью аналогичной работы двух эмульгаторов (например, эталонного 301 и целевого 303), имеющих различные размеры, то есть для того, чтобы указанные два эмульгатора создавали аналогичные водотопливные эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды, значения трех вышеуказанных безразмерных коэффициентов должны быть одинаковыми для обоих эмульгаторов.

На основании вышеизложенного далее описан способ определения параметров для целевого эмульгатора 303.

Как показано на фиг.3, чтобы узнать выбранные параметры для целевого эмульгатора 303, используют эмпирическую размерную модель 302, определенную на основе эталонного эмульгатора 301. В этом варианте изобретения испытаниями подтверждена способность эталонного эмульгатора 301 создавать водотопливные эмульсии с содержанием воды в диапазоне от 6 до 40% (измеренным как процентное отношение объема воды к объему топлива) и размером частиц воды в диапазоне от 2 до 6 микрон. Затем эталонный эмульгатор 301 используют для создания эмпирической размерной модели 302. Вязкость топлива составляет приблизительно от 2,8 до 24 сантистокс (более предпочтительно от 2,8 до 14 сантистокс), и примером топлива является мазут. На фиг.5a в увеличенном виде представлены водотопливные частицы 501, произведенные эталонным эмульгатором 301, а на фиг.5b показан график 502, представляющий измеренные размеры и распределение частиц воды в топливе с фиг.5a.

Как показано более подробно на фиг.4, модель 302 содержит график зависимости относительного среднего размера частиц воды от относительного размера форсунки. Относительный средний размер частиц воды - это отношение среднего размера частиц воды 502 к диаметру D смесительной камеры 202 (см. фиг.2). Относительный размер форсунки является отношением диаметра водяной форсунки 201a («d») к диаметру D смесительной камеры 202.

В этом варианте изобретения эталонный эмульгатор содержит четыре форсунки, смесительную камеру диаметром 4 мм (D) с расходом топлива через в смесительную камеру 0,5 м³/час и выполнен с возможностью создавать эмульсии с объемным содержанием воды от 6 до 40% и средним размером частиц воды от 2 до 6 микрон. На основе этих параметров получают модель 302, показанную на фиг.4, а затем эту модель используют для определения параметров для целевого эмульгатора 303 для создания водотопливных эмульсий с содержанием воды в диапазоне от 6 до 40% и размерами частиц воды от 2 до 6 микрон, что соответствует продукту, получаемому на выходе из эталонного эмульгатора.

На фиг.6 изображена блок-схема, демонстрирующая этапы использования эмпирической размерной модели 302 эталонного эмульгатора 301 для определения параметров целевого эмульгатора 303 для создания водотопливных эмульсий с заданными содержанием воды и размерами частиц воды, как описано выше.

На этапе 601 определяют и регистрируют свойства топлива и воды, используемых в эталонном эмульгаторе, таким образом, чтобы затем использовать их для изготовления целевого эмульгатора. В этом варианте изобретения указанными свойствами являются: плотность, вязкость и поверхностное натяжение.

На этапе 602 определяют предварительный диаметр D_desired целевой смесительной камеры 202 целевого эмульгатора 303 по формуле:

где D_reference - диаметр смесительной камеры эталонного эмульгатора,

Q_desired - заданный расход топлива целевого эмульгатора;

Q_reference - расход топлива эталонного эмульгатора.

На этапе 603 определяют первый расчетный диаметр смесительной камеры 202, выбирая размер, наиболее удобный для изготовления на практике, с использованием предварительного диаметра D_desired, вычисленного на этапе 602. Очевидно, что если на практике удобно изготовить целевой эмульгатор с предварительным диаметром D_desired, то можно не выполнять расчет первого расчетного диаметра.

На этапе 604 получают числа Рейнольдса для топливных потоков в эталонном эмульгаторе 301 и целевом эмульгаторе 303 по следующей формуле:

где ρ_fr - плотность топлива, используемого в эталонном эмульгаторе;

V_fr - скорость потока топлива в смесительной камере эталонного эмульгатора;

D_r - диаметр смесительной камеры эталонного эмульгатора;

µ_fr - вязкость топлива, используемого в эталонном эмульгаторе.

где ρ_fd - плотность топлива, которое будет использоваться в целевом эмульгаторе;

V_fd - скорость топливного потока, которая будет использоваться в смесительной камере целевого эмульгатора;

D_d - диаметр смесительной камеры целевого эмульгатора 303;

µ_fd - вязкость топлива, которая будет использоваться в целевом эмульгаторе 303.

Следует отметить, что D_d в формуле (3) аналогичен первому расчетному диаметру, определенному на этапе 603.

Оба числа Рейнольдса (Re_reference и Re_desired) затем проверяют по стандартной диаграмме Муди 701, которая показана на фиг.7. (Объяснения и информация об использовании чисел Рейнольдса и диаграммы Муди опубликованы в классической технической литературе по механике жидкостей. Примерами такой технической литературы являются следующие книги: (1) Fundamentals of Fluid Mechanics by Bruce R. Munson, Donald F. Young and Theodore H Okiishi; published by John Wiley & Sons Inc. (2) Mechanics of fluids by Massey B.S.; published by Van Nostrand Reinhold Co). Если оба числа Рейнольдса (Re_reference и Re_desired) находятся в области турбулентного режима течения, то можно использовать первый расчетный диаметр смесительной камеры, определенный на этапе 603. В противном случае, в соответствии с заявляемым способом происходит переход назад (как показано при появлении ошибки 604 (а)) к этапу 603 для определения второго расчетного диаметра смесительной камеры целевого эмульгатора 303, подходящего для изготовления на практике и ближайшего к предварительному диаметру D_desired. С использованием второго расчетного диаметра повторяют этап 604 для определения уточненного числа Re_desired, а затем проверяют попадание числа Re_reference и уточненного числа Re_desired в область турбулентного режима по диаграмме Муди. Следует иметь в виду, что этапы 603 и 604 при необходимости повторяют до тех пор, пока оба числа Рейнольдса, эталонного эмульгатора и целевого эмульгатора 303, не окажутся в области турбулентного режима течения диаграммы Муди. Выбирают в качестве диаметра смесительной камеры целевого эмульгатора D_d(turbuient), определенный после этапа 604 (то есть D_d(turbuient) дает число Re_desired, которое попадает в область турбулентного режима диаграммы Муди).

Следует иметь в виду, что на практике, Re_reference уже получили и проверили, что оно находится внутри «турбулентной» области, и поэтому на этапе 604 не нужно вычислять Re_reference или проверять его по диаграмме Муди. Иными словами, на этапе 604 можно вычислить только Re_desired и проверить его по диаграмме Муди, показанной на фиг.7.

На этапе 605 вычисляют диапазон относительного среднего размера частиц воды по следующей формуле:

где p - средний размер частиц воды, причем в этом варианте изобретения целевой размер частиц воды составляет от 2 до 6 микрон;

D_d(turbuient) - диаметр смесительной камеры целевого эмульгатора, определенный на этапе 604.

На этапе 606 с использованием относительного среднего размера частиц воды

При известном относительном размере форсунки

относительный размер форсунки,

D_d(turbuient) - диаметр смесительной камеры целевого эмульгатора 303.

Иногда расчетный диаметр форсунки d_desired невозможно изготовить на практике, и в таком случае корректировку производят путем выбора диаметра форсунки, который можно изготовить на практике и который является ближайшим к расчетному диаметру форсунки d_desired.

На этапе 607 определяют число водяных форсунок целевого эмульгатора 303 путем вычисления потерь давления при прохождении воды через форсунки с использованием стандартных методов расчета потерь давления, изложенных в технической литературе. (Примерами такой технической литературы являются следующие книги: (1) Fundamentals of Fluid Mechanics by Bruce R. Munson, Donald F. Young and Theodore H Okiishi; published by John Wiley & Sons Inc. (2) Mechanics of fluids by Massey B.S.; published by Van Nostrand Reinhold Co). Необходимо проверить, существуют ли типовые насосы высокого давления, которые могут обеспечить давление воды, необходимое для подачи того объема воды, который требуется для целевого эмульгатора. Следует отметить, что количество водяных форсунок может быть определено независимо (и отдельно) от расчетного диаметра форсунки d_desired, так как количество водяных форсунок зависит от целевого расхода и от потерь давления, как упоминалось выше. Однако при определении количества водяных форсунок следует учитывать расчетный диаметр форсунки d_desired, поскольку если диаметр форсунки мал, то следует выбрать большее количество форсунок.

Способ завершается этапом 608, на котором определяют диаметр смесительной камеры, диаметр водяной форсунки и количество форсунок для создания водотопливных эмульсий с заданными содержанием воды и размерами частиц воды для целевого эмульгатора 303.

Следует иметь в виду, что описанный способ позволяет выбрать параметры целевого эмульгатора, который будет создавать эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды. Убедившись, что числа Рейнольдса эталонного эмульгатора и целевого эмульгатора находятся в одинаковой области турбулентного режима, можно экспериментально определить зависимость между относительным средним размером частиц воды p/D и относительным размером форсунки d/D в виде графика, показанного на фиг.4, для эталонного эмульгатора, который создает водотопливные эмульсии с заданными содержанием воды и размерами частиц воды.

Ниже приведен конкретный пример, как получают параметры (конструкцию и размеры элементов) целевого эмульгатора 303.

Рассмотрим случай, когда целевой эмульгатор 303 должен создавать водотопливные эмульсии с объемным содержанием воды 10% и с размерами частиц воды от 2 до 6 микрон при расходе топлива 3 м³/час. Эмпирическая размерная модель 302 эталонного эмульгатора, создающего водотопливные эмульсии с объемным содержанием воды 10% и размером частиц воды от 2 до 6 микрон, была определена экспериментально и показана на фиг.4. Эталонный эмульгатор содержит смесительную камеру диаметром 4 мм и был испытан при расходе топлива 0,5 м³/час.

На этапе 601 с фиг.6 регистрируют свойства топлива и воды эталонного эмульгатора 301 для последующего использования для целевого эмульгатора 303.

На этапе 602 получают предварительный диаметр D_desired смесительной камеры из формулы (1), равный 24 мм (то есть=4×(3/0.5)).

На этапе 603 определяют, что предварительный диаметр D_desired, равный 24 мм, может быть выбран в качестве диаметра смесительной камеры целевого эмульгатора. В итоге принимают диаметр D_desired, равный 24 мм, и переходят к этапу 604.

На этапе 604 определяют числа Рейнольдса обоих эмульгаторов, эталонного и целевого, Re_reference и Re_desired и проверяют их по диаграмме Муди, показанной на фиг.7.

Число Рейнольдса эталонного эмульгатора 303 для потока топлива в эталонной смесительной камере по формуле (2) равно 11060 и находится в турбулентной области диаграммы Муди. Число Рейнольдса целевого эмульгатора, содержащего смесительную камеру диаметром 24 мм, по формуле (2) равно 3160 и находится в переходной ламинарно-турбулетной области диаграммы Муди. С производственной точки зрения можно уменьшить диаметр целевой смесительной камеры и увеличить число Рейнольдса. Наименьший диаметр целевой смесительной камеры, который может быть изготовлен, - 10 мм. Число Рейнольдса целевого эмульгатора диаметром смесительной камеры 10 мм равно 7580 и находится в турбулентной области диаграммы Муди. Таким образом, утверждают диаметр смесительной камеры, равный 10 мм, который является D_d(turbulent).

Далее, на этапе 605 вычисляют диапазон относительного среднего размера частиц воды для размера частиц воды

На этапе 606 соответствующий относительный размер водяной форсунки

На этапе 607 проверяют потери давления воды в форсунках и затем выбирают группу из четырех форсунок для подачи 0,1 м³/час воды через четыре форсунки диаметром 1,1 мм. Указанный расход воды получают из 10% от потребления топлива, которое составляет приблизительно 1/3 расхода топлива, равного 3 м³/час.

Таким образом, определена следующая конструкция и размеры целевого эмульгатора:

(1) диаметр смесительной камеры - 10 мм,

(2) диаметр водяных форсунок - 1,1 мм,

(3) количество водяных форсунок - 4.

Из вышеизложенного следует, что заявляемый метод позволяет вычислять конкретные выбранные параметры целевого эмульгатора, а именно: диаметр смесительной камеры D_d(turbuient (или вообще D) (мм), диаметр водяной форсунки d (мм) и количество водяных форсунок. Результаты показаны на фиг.8-11 для расхода топлива от 0,6 м/с до 108 м/с и топлива с вязкостью от 2,8 сантистокс до 24 сантистокс (при течении после нагрева).

Фиг.8 представляет собой таблицу, где даны вычисленные значения выбранных параметров целевого эмульгатора, а именно: диаметры смесительной камеры D (мм), диаметры водяных форсунок (мм), определенные с использованием способа, проиллюстрированного фиг.6. Значения определены для разных значений расхода топлива в диапазоне от 0,6 до 108 м/с для четырех водяных форсунок, и выбраны для создания водотопливных эмульсий с объемом воды к объему топлива в диапазоне от 6 до 40% и размерами частиц воды от 2 до 6 микрон.

На фиг.9 графически представлена зависимость диаметра смесительной камеры от расхода топлива в диапазоне от 0,6 до 108 м/с, построенная по значениям с фиг.8 для демонстрации взаимосвязи между указанными двумя параметрами. На фиг.10 графически представлена зависимость диаметра водяных форсунок от расхода топлива в диапазоне от 0,6 до 108 м/с, построенная по значениям с фиг.8 для демонстрации взаимосвязи между указанными двумя параметрами. На фиг.11 графически представлены диаметры смесительной камеры и диаметры водяных форсунок, показанные на фиг.8.

Большинство морских судов оборудованы топливными системами, расход топлива которых попадает в указанный диапазон значений от 0,6 до 108 м/с. Под расходом топлива обычно понимается расход топлива через топливный насос, который, как правило, проектируется с возможностью обеспечивать в 3-3,5 раза больший расход топлива, чем максимальный расход топлива в судовом двигателе, питаемом указанной топливной системой. Следует отметить, что отклонение значений выбранных параметров, вычисляемых заявленным способом, может быть следующим:

+/- 1 мм для диаметра смесительной камеры, D

+/- 0,1 мм для диаметра водяной форсунки, d.

По фиг.8-11 на основе расхода топлива в конкретной топливной системе можно определить следующие параметры: диаметр смесительной камеры, D (мм), диаметр водяных форсунок d (мм) и количество водяных форсунок эмульгатора. Для тех значений расхода топлива, которые попадают между точками, представленными на фиг.8-11, такие параметры, как диаметр смесительной камеры D (мм) и диаметр водяных форсунок d (мм) для четырех форсунок получают с помощью интерполяции двух указанных точек.

Рассмотрим случай, когда целевой эмульгатор 303 должен создавать водотопливные эмульсии с объемным содержанием воды от 6 до 40% и размерами частиц воды от 2 до 6 микрон при максимальном расходе топлива 12 м³/час для топлива с вязкостью 14 сантистокс при течении через эмульгатор нагретого топлива. На фиг.4 показана экспериментально определенная эмпирическая размерная модель 302 эталонного эмульгатора, создающего водотопливные эмульсии с объемным содержанием воды от 10 до 40% и размерами частиц воды от 2 до 6 микрон. Эталонный эмульгатор содержит смесительную камеру диаметром 4 мм и был испытан прит расходе топлива 0,5 м³/час.

С помощью фиг.8-11, определенных с помощью заявленного способа, определяют следующие параметры целевого эмульгатора 303, создающего целевые водотопливные эмульсии:

- диаметр смесительной камеры целевого эмульгатор - 16 мм,

- диаметр водяных форсунок целевого эмульгатора - 2,2 мм,

- количество водяных форсунок, равное четырем (4).

Указанные выбранные параметры с фиг.8-11 обеспечивают турбулентный режим течения топлива в смесительной камере целевого эмульгатора и соответствие эксплуатационных характеристик целевого эмульгатора характеристикам эталонного эмульгатора при создании водотопливных эмульсий с объемным содержанием воды от 10 до 40% и размерами частиц воды от 2 до 6 микрон при максимальном расходе топлива 12 м³/час, имеющего вязкость14 сантистокс при течении через эмульгатор после нагрева.

Как следует из вышеописанного, заявляемый способ позволяет вычислять конкретные выбранные параметры целевого эмульгатора, а именно: диаметр смесительной камеры D_d(turbuient (или вообще D) (мм), диаметр водяной форсунки d_desired (или вообще d) (мм) и количество водяных форсунок. Результаты представлены на фиг.8-11 для расхода топлива от 0,6 до 108 м/с и вязкости топлива от 2,8 сантистокс до 24 сантистокс (при течении через эмульгатор после нагрева). Таким образом, использование заявляемого способа значительно упрощает конструирование и изготовление целевого эмульгатора 303.

Описанный вариант изобретения не должен рассматриваться как ограничивающий объем правовой охраны заявляемого изобретения. Например, несмотря на то, что на фиг.6, иллюстрирующей описанный вариант изобретения, представлены этапы 601-608, необходимо отметить, что в зависимости от результатов некоторые этапы могут не потребоваться. Например, если на практике может быть изготовлена смесительная камера с предварительным диаметром, определенным на этапе 602, и указанный диаметр обеспечивает турбулентный режим течения, то нет необходимости проводить дальнейшие вычисления согласно этапу 603. Это замечание относится и к диаметру водяных форсунок и к другим соответствующим этапам.

Кроме того, хотя в качестве параметра для определения размера смесительной камеры и размера водяной форсунки предпочтительно используют диаметр, можно использовать и другие величины. Также предполагается, что целевой эмульгатор содержит по меньшей мере одну форсунку.

Приведенное описание позволяет специалисту данной области техники осуществить различные модификации заявляемого изобретения без выхода за рамки объема и сущности раскрытого изобретения.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для смешения потоков жидкостей. Способ определения параметров для целевого эмульгатора для создания конкретных водотопливных эмульсий, соответствующих эмульсиям, создаваемым эталонным эмульгатором, в котором целевой эмульгатор и эталонный эмульгатор содержат соответственно целевую смесительную камеру и эталонную смесительную камеру для смешивания топлива и воды, причем способ содержит следующие этапы: (I) определение размера целевой смесительной камеры для целевого эмульгатора исходя из размера эталонной смесительной камеры эталонного эмульгатора, причем определенный размер целевой смесительной камеры обеспечивает турбулентный режим течения в целевой смесительной камере; (II) вычисление относительного размера частиц воды исходя из указанного определенного размера; (III) определение размера для по меньшей мере одной водяной форсунки целевого эмульгатора для впрыска воды в топливо в целевой смесительной камере исходя из вычисленного относительного размера частиц воды. Изобретение позволяет получить водотопливную эмульсию с требуемым содержанием воды и размером частиц. 4 н. и 28 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула