Підвищення ефективності роботи кавітатора дизельного палива

Размещено на http://www.allbest.ru//

Підвищення ефективності роботи кавітатора дизельного палива

Приходько М.А., д.т.н., професор

Розроблений кавітатор дизельного палива, який дозволяє отримувати паливо-водяну емульсію безпосередньо на дизельному двигуні. Підвищена ефективність і надійності його роботи за рахунок регулювання амплітуди і частоти коливань потоку рідини пружним елементом змінної жорсткості.

Cavitation device of diesel fuel is elaborated, which allows to get fuel-water emulsion directly on a diesel engine. Efficiency and reliability of his work is promoted due to adjusting of amplitude and frequency of vibrations of stream of liquid by the resilient element of variable inflexibility.

кавітатор дизельний паливо

Спалювання дизельного палива в двигунах внутрішнього згорання у вигляді паливо-водяної емульсії, призводить до більш ефективного використання і до зменшення шкідливих викидів сажі, оксидів азоту, вуглецю, сірки, а також тепла в навколишнє середовище [1-3]. Основні висновки цих робіт - економія палива складає 6-12% при збереженні тієї ж механічної потужності, а зменшення викидів по деяких видах забруднень досягає 2-3 рази.

Найменш енергоємною є двоступенева система підготовки такого палива, в якій на першій ступені готують звичайну неактивовану суміш, а на другій застосовують «жорсткі» кавітаційні поля і одержане нове паливо безпосередньо подають в камеру згорання через форсунку-кавітатор [4].

Джерела утворення кавітаційних полів можуть бути різними по виду, але через свою вагу, габарити і енергоспоживання їх недоцільно «засовувати» під капот автомобіля. Тут необхідно застосовувати кавітаційний апарат, який дозволить покращити ефективність і економічність створення паливо-водяної емульсії безпосередньо на дизельному двигуні.

Із наукової і патентної літератури відомо надзвичайно багато кавітаційних технологій приготування паливо-водяних емульсій. В генераторах кавітації типу [5] (труби Вентурі) кавітація рідини створюється в результаті зменшення тиску і збільшення швидкості рідини в кінці розгінного пристрою і в критичній частині до такого стану, коли в рідині починають виникати паро-газові бульбашки. Генератор кавітації [5] є малоефективним, тобто в ньому затрати енергії на створення кавітаційного поля є значними. У зв'язку з виконанням розгінного пристрою у вигляді конічного конфузора на цій ділянці є зриви потоку зі стінок, які ведуть до великих гідравлічних внутрішніх втрат, а також до в'язких втрат (тертя) по довжині каналу. Крім цього, ці зриви не можуть бути узгоджені із виникненням бульбашок у циліндричній частині, що негативно впливає на величину і частоту пульсацій тиску, а отже і на кавітаційне поле. Наявність гострої кромки між конусом розгінного пристрою і циліндричною частиною провокує передчасне постійне виникнення бульбашок, що також зменшує пульсації тиску і відповідно величину і жорсткість кавітаційного поля. Вихідний переріз розгінного пристрою не визначений із умови, що місцеве число кавітації повинне бути не більшим від такого, при якому починається ріст бульбашок. Це означає, що для досягнення коливань тиску і одержання кавітаційного поля потрібно застосовувати керуючі дроселі, а це пов'язане із втратами енергії і відхиленнями від розрахункових режимів, що разом веде до здвигу кавітаційного поля в сторону його зменшення по величині і жорсткості колапсів. Довжина циліндричної частини тут не оптимізована, що не дозволяє створювати сильне запирання каналу бульбашками і утворювати великі амплітуди і частоти коливань тиску. Це також негативно впливає на кавітаційне поле. Критична частина каналу виконана циліндричною без досягнення в ній швидкості звуку і надзвуку, що не відповідає основним вимогам формування оптимальних по розміру бульбашок для їх ефективного колапсу в гальмівній ділянці. Кінець зрізу критичної ділянки не роз'єднаний із ділянкою динамічного гальмування, а закріплений з ним жорстко. Також жорстко закріплені між собою вхідний трубопровід і патрубок. Разом це не дає можливості коливань патрубка, розгінного пристрою і критичної ділянки, а також регулювання цих коливань під дією асиметрії вектора тяги газорідинної струмини, яка витікає із зрізу критичної частини. Відсутність коливань цих частин і їх регулювання по амплітудах і частотах суттєво зменшують величину зони кавітації і жорсткість колапсу бульбашок, тобто це призводить до зменшення ефективності кавітаційного поля і генератора в цілому. Неможливість регулювання величини тиску в кінці критичної ділянки пов'язане з малою ефективністю кавітаційного поля. Гальмівна ділянка, яка виконана у формі конічного дифузора, дає рівномірний по довжині додатній градієнт тиску і зриви потоку при великих кутах дифузорності (в\2>7,50). В цих умовах колапс бульбашок не є жорстким, пінні структури і каверни можуть плавно проходити через дифузор і не розпадатися на бульбашки, а зриви потоку приводять до значних гідравлічних втрат, тобто ефективність кавітаційного поля є малою.

У генераторі кавітації [6] критична циліндрична частина виконана довжиною 0,6ч2,0 від діаметра критичного перерізу, а переріз конфузора розгінного пристрою із циліндричною критичною частиною округлений радіусом, який дорівнює 0,26ч0,35 від діаметра критичного перерізу. В даному апараті оптимізована довжина критичної ділянки, що збільшує амплітуду коливань тиску в рідині і відповідно збільшує ефективність кавітаційного поля. Округлення гострих кромок дає менші гідравлічні втрати, запобігає постійному утворенню бульбашок і викликає більші амплітуди коливань тиску. Проте, більшість вказаних недоліків при описі генератора кавітації [5] залишається, що робить апарат [6] також малоефективним.

Генераторі кавітації [7] забезпечується акустичним резонатором, який розміщується напроти дифузорної ділянки динамічного гальмування, причому резонатор виконаний у вигляді порожнистого циліндра з поздовжніми прорізами, які паралельні вісі каналу. Таке виконання генератора кавітації підвищує його ефективність у порівнянні із генератором [6] шляхом дії на поле колапсів акустичних хвиль, що, при певних умовах, збільшує величину цієї зони і жорсткість колапсів кожної бульбашки. Проте конструкція генератора [7] є енергоємною, складною, дорогою і ненадійною в експлуатації. Вона не може впливати на процеси, які відбуваються у розгінному пристрої, дозвуковому і надзвуковому насадках. Крім цього, вона вносить додатковий опір в потік, що також пов'язане із енергозатратами. До того ж їй притаманні і решта недоліків, які вказані при описі установки [5].

Ефективність утворення кавітаційного поля у проточно-кавітаційних апаратів досить низька для їх використання на дизельному двигуні. Для підвищення ефективності їх роботи, необхідно провести більш ретельне дослідження механізмів утворення кавітаційного поля і визначити вплив конструктивних особливостей на ефективність обробки дизельного палива.

Метою статті є висвітлення удосконаленої конструкції генератора кавітації [5], яка створена на базі ґрунтовного дослідження проточних кавітаційних апаратів. Необхідно визначити оптимальні конструктивні параметри і режими роботи кавітаційного пристрою, що дозволить вирішити наступні завдання:

підвищити ефективність роботи апарату шляхом зменшення затрат енергії на створення необхідних по жорсткості кавітаційних полів;

підвищити надійність експлуатації, спростити конструкцію, зменшити вартість установки.

Генератор кавітації (рис. 1) складається з вхідного трубопроводу 1 підводу рідини, патрубка 2, коноїдального сопла 3, дифузорної дозвукової насадки 4, циліндричної надзвукової насадки 5, циліндричної 6 і дифузорної 7 частини динамічної гальмівної ділянки трубки Вентурі, трубопроводу відводу рідини 8, пружного елемента змінної жорсткості 9, пружного пристрою 10 і кожуха 11. Послідовно з'єднані між собою коноїдальне сопло 3, дифузорна дозвукова 4 і циліндрична надзвукова 5 насадки утворюють розгінний пристрій, який вхідним торцем 12 жорстко приєднаний до патрубка 2. Патрубок 2 з'єднаний з вхідним трубопроводом 1 за допомогою пружного елемента змінної жорсткості 9, який складається з еластичного елемента 13, затяжного пристрою у вигляді стрічкового хомута 14, який охоплює еластичний елемент 13, причому один кінець 15 стрічкового хомута 14 зачеплений за виступ 16, а другий кінець 17 жорстко приєднаний до стержня 18 з різьбою, який вставлена ийв отвір виступу 19 і закріплена гайкою 20. Вихідний торець 21 циліндричної надзвукової насадки 5 співвісно введений у внутрішню порожнину циліндра 6 трубки Вентурі і підвішений на пружному пристрої 10. Розгінний пристрій разом з патрубком охоплений жорстким герметичним кожухом 11, який з'єднує циліндричну частину 6 динамічної гальмівної ділянки трубки Вентурі з вхідним трубопроводом 1 підводу рідини.

Геометричні характеристики конструкції:

1) діаметр D і довжина l1 патрубка дорівнюють діаметрові трубопроводу підводу;

2) діаметр d вихідного зрізу коноїдального сопла визначається із умови, що місцеве число кавітації, яке дорівнює:

, (1)

(де P і v - тиск і швидкість у зрізі, с - густина рідини, Pd - тиск насичених парів при температурі рідини) є меншим від величини 0,30;

3) кут розкриття б/2 дифузорного дозвукового насадка дорівнює 3,50ч5,00, а діаметр його вихідного зрізу визначається із умови досягнення швидкістю газо-паро-рідинного потоку значення швидкості звуку;

4) довжина циліндричного надзвукового насадку l4=(0,7ч1,0)·d, діаметр b циліндра гальмівної ділянки дорівнює вхідному діаметру коноїдального сопла, а його довжина l5=(4ч6)·b;

5) довжина l6 дифузора ділянки гальмування визначається із умови, що кут розкриття в\2=7,00ч7,50, а діаметр його вихідного перерізу дорівнює діаметру D підводу і відводу емульсії.

В запропонованій конструкції роль генератора необхідного кавітаційного поля для розрахункового режиму виконують герметичний еластичний елемент, який з'єднує трубопровід підводу з вільно підвішеними патрубком, розгінним пристроєм, дозвуковим і надзвуковим насадками і система регулювання пружності цього еластичного елемента. При цьому можна змінювати в широкому діапазоні частоту і амплітуду коливань рухомої частини генератора - патрубка, розгінного пристрою, дозвукового і надзвукового насадків. Ці коливання визначають параметри потоку, як до критичної частини, так і в ній самій, і в ділянці динамічного гальмування Це суттєво спрощує конструкцію, зменшує її вартість, знижує гідравлічний опір системи в цілому у порівнянні із застосуванням керуючих дроселів. Для зменшення гідравлічних втрат діаметр D патрубка і його довжина l1 підбираються рівними діаметру трубопроводу підводу, хоч і довжиною l1 можна в деякій мірі регулювати амплітуду коливань. Для того, щоб патрубок, розгінний пристрій, дозвуковий і надзвуковий насадки могли вільно коливатися в еластичному елементі, вони жорстко з'єднуються між собою, утворюючи єдиний рухомий агрегат.

Рис. 1. Конструкція кавітатора дизельного палива:

1 - трубопровід вхідний; 2 - патрубок; 3 - сопло; 4, 5 - дозвукова і надзвукова насадки; 6,7 - циліндрична і дифузійна частини гальмівної ділянки; 8 - трубопровід відводу; 9 - пристрій пружний; 10 - пружина; 11 - кожух; 12 - торець вхідний; 13 - елемент еластичний; 14 - хомут; 15, 17 - кінці хомута; 16 - виступ; 18 - стержень; 19 - отвір виступу; 20 - гайка; 21 - торець вихідний; 22 - струмина; 23, 24 - перерізи вихідні сопла і дозвукової насадки

Для здійснення коливань зріз надзвукової насадки співвісно і вільно входить у внутрішню порожнину циліндра гальмівної ділянки. З метою зменшення гідравлічних втрат і запобігання зривів потоку на стінках каналу розгінний пристрій виконаний у формі коноїдального сопла. Таке виконання сопла дає також змогу плавно спрягати його профіль із дозвуковим дифузорним насадком і запобігати непрогнозованих зривних явищ в місці спряження. Досліди показують, що у струминах різноманітних каналів, в тому числі і в запропонованому, ріст бульбашок в об'ємі струмини починається при досягненні в даному перерізі місцевого числа кавітації ч рівного величині 0,3. Для того, щоб в зрізі вихідної частини сопла почались утворюватись бульбашки, величина ч повинна бути не більшою, ніж 0,3. Ріст бульбашок по довжині дозвукової насадки призводить до збільшення концентрації парогазової фази і до збільшення таким чином швидкості потоку. Досліди і розрахунки цього каналу показують, що при куті розкриття дифузора б\2=3,50ч5,00, мають місце найменші втрати енергії на рух. Канал закінчується при досягненні потоком швидкості звуку, мінімальне значення якої досягається при об'ємній концентрації газопарової фази рівної величині 0,5. В кінці цього каналу число Маха (Ма) буде дорівнювати одиниці, а сам канал буде дозвуковим. Тепер, маючи діаметр d, кут б\2 і діаметр виходу, визначаємо довжину l3 дозвукового насадка. При довжині надзвукового насадка l4=(0,7ч1,0)·d потік розганяється до величини Ма=2,0ч2,5 при об'ємній концентрації паро-газової фази 0,6ч0,7, що достатньо для одержання потоку з бульбашковою структурою і діаметром бульбашок 1,0ч1,5 мм, які мають найбільшу ймовірність до жорстких колапсів. Досліди показують, що найбільша по об'єму зона колапсів бульбашок досягається при оптимальному діаметру b циліндричної частини, який дорівнює діаметру входу в сопло, і при довжині l5=(4ч6)·d. Разом з виконанням дифузора гальмівної ділянки з кутом розкриття в\2=7,00ч7,50 і його довжиною, яка досягається при діаметру вихідного перерізу D, в циліндричній частині встановлюється найвищий статичний градієнт підвищення тиску. Цей градієнт разом із пульсаціями потоку від коливань і гідроудару забезпечує найжорсткіший колапс бульбашок, тобто найефективніше кавітаційне поле. Зовнішній герметичний жорсткий кожух, який з'єднує трубопровід підводу рідини із циліндром гальмівної ділянки охоплює всі рухомі частини, забезпечує вакуум, який встановлюється у внутрішньому об'ємі кожуха і дорівнює тиску у вихідному зрізі надзвукового насадка.

Генераторі кавітації працює наступним чином. Неактивована суміш дизельного палива і води подається з трубопроводу 1 в патрубок 2, де формується струмина 22. В коноїдальному соплі 3 суміш розганяється так, що у його вихідному перерізі 23 виникають кавітаційні бульбашки. В дозвуковому дифузорному насадку 4 бульбашки ростуть в діаметрі, від чого концентрація паро-газової фази суміші збільшується до величини 0,5 і швидкість потоку рідини в перерізі 24 насадку 4 досягає значення швидкості звуку. В циліндричному надзвуковому насадку 5 концентрація паро-газової фази суміші збільшується до величини 0,6ч0,7, а швидкість потоку рідини зростає до числа Маха Ма=2,0ч2,5. Необхідні по амплітуді і частоті коливання розгінного пристрою здійснюються завдяки з'єднанню патрубка 2 з вхідним трубопроводом 1 за допомогою пружного елемента змінної жорсткості 9, зміна жорсткості якого здійснюється за допомогою затягування або відпускання хомута 14 гайкою 20 затяжного пристрою, пружного пристрою 10, на якому підвішений надзвуковий насадок 5 і під дією асиметрії вектора тяги потоку, який витікає із насадки 5 розгінного пристрою. Попадаючи у циліндричну частину 6 трубки Вентурі, бульбашки колапсують (схлопують), утворюючи необхідне кавітаційне поле. В дифузорі 7 потік стабілізується і готова водо-паливна емульсія по трубопроводу 8 подається до споживача.

Наукова новизна даної розробки полягає у створенні кавітаційного апарату, який завдяки підвищенню ефективності і надійності роботи, можна використовувати для отримання «жорсткого» кавітаційного поля безпосередньо на дизельному двигуні. Це дозволяє скоротити час між кавітаційною обробкою палива і його спалюванням в камері згорання, завдяки чому активні вуглеводневі радикали не зможуть повернутися у початковий стан, через нестачу часу на здійснення зворотних хімічних реакцій, що і є одним із факторів підвищення ефективності використання дизельного палива.

Перспективи подальших розвідок у цьому напрямі полягають перш за все в оптимізації затрат енергії на отримання нового палива за допомогою розробленої конструкції кавітаційного апарату. Ці затрати залежать від величини концентрації води, розмірів крапель води, степені активації фаз для кожного конкретного двигуна в залежності від його потужності і конструктивних особливостей, режимів роботи і ін.

Литература

1. Иванов В.М. Парогазовые процессы и их применение в народном хозяйстве.-М.: Наука, 1970.-320с.

2. Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппаратов). Часть 1-, К.: Пилиграфкнига, 1997.-839с.

3. Булгаков А.Б., Преснов Г.В., Гуськов Ю.Л. и др. Улучшение свойств жидких топлив гидромеханической обработкой в кавитационном поле. Ж.: Энергетик, 2002, №7.-с.29-34.

4. Приходько М.А. Про використання активованих кавітацією паливо-водо-газових емульсій і суспензій в енергоустановках. Ж.: Промышленная теплотехника, 2003, №4.-с.181-182.

5. Авторське свідоцтво СРСР № 50544, М.кл.3. В 06 В 1\18, від 06.05.72, опубл. в Б.І.,1976, №6.

6. Авторське свідоцтво СРСР № 1232296, М.кл.3 4 В 06 В 1\18, від 19.07.84, опубл. в Б.І., 1986, № 19.

7. Авторське свідоцтво СРСР № 1466808, М.кл.3 4 В 06 В 1\18, від 29.04.87, опубл. в Б.І., 1989, № 11.

Размещено на Allbest.ru