Исследование теплотехнических свойств ВЭТ

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.436.982+628.1.033                          

Развитие мирового научно-технического прогресса, рост численности населения и улучшение его благосостояния привели к резкому увеличению энергопотребления, обратной стороной которого является истощение углеводородных сырьевых ресурсов. Поэтому многими зарубежными специалистами начало XXI века оценивается как переходный период в развитии мировой энергетической системы. В связи с этим актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических систем.

Материал и методы исследования

Эмульсия, как известно, представляет систему, состоящую из двух жидкостей с разной температурой кипения [1].

Так, температура кипения воды при нормальном давлении равна 1000С, а мазута 260–3000С, бензина — 185–2050С.

Капля эмульсии типа вода-масло представляет собой сложную систему, состоящую из топлива, в котором равномерно в виде микрокапель распределены капельки воды. Разница между температурой поверхности частицы топлива и температурой кипения воды, заключенной внутри капли топлива, остается весьма существенной и достигает 70-2000С. Благодаря этому микрокапли воды, находящиеся внутри капли эмульсии, в процессе ее прогрева быстрее превращаются в парообразное состояние и образуют паровые пузырьки, чем пленка топлива, которая обволакивает эти пузырьки пара. При этом пленка топлива вследствие испарения с поверхности капли непрерывно уменьшается по толщине. В момент, когда давление водяных паров внутри частицы превысит силы поверхностного натяжения пленки, произойдет разрушение поверхности капли, т.е. взрыв, или микровзрыв.

При взрыве частиц эмульсионного топлива непосредственно в объеме топочного устройства происходит дополнительное перемешивание паров топлива с кислородом воздуха вследствие того, что они разлетаются в различном направлении. Это ускоряет процесс горения, и возможно, само горение эмульсии протекает более бурно и за меньший промежуток времени, чем горение безводного топлива. Сравнительные данные о горении безводногои эмульсированного топлива приведены в Таблице.

Таблица.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬ ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Топливо	Диаметр	Температура	Время
Керосин	1,2	760	1,59
Эмульсия керосина:	1,2	760	0,92

Из данных Таблицы 1 видно, что эмульгированное жидкое топливо сгорает значительно быстрее, чем безводные; содержание до 30% воды в эмульгированном топливе не ухудшает, а даже интенсифицирует процесс горения за счет дополнительного внутритопочного дробления капель, увеличение поверхности испарении частиц и улучшения перемешивания горючего с воздухом.

Согласно данным в работе «Водоэмульсионное топливо: условия получения, особенности и свойства» — уменьшение времени горения эмульгированного топлива благоприятно сказывается на стадии догорания сажистых остатков, улучшает общую полноту сгорания топлива и уменьшает отложения сажи на рабочих поверхностях [2].

Известно, что горение жидкого водоэмульсионного топлива (ВЭТ) в большинстве случаев осуществляется в распыленном аэрозольном состоянии — в потоке воздуха [3]. Поэтому можно предположить, что процесс горения представляет собою сложный комплекс физико-химических и технологических взаимосвязанных между собою явлений. При этом эффективность горения ВЭТ характеризуется скоростью горения, полнотой сгорания ВЭТ и количеством выделенного тепла [3, 4].

Как известно, интенсивность процесса сгорания ВЭТ в потоке зависит от дисперсностью и однородностью эмульсионного топлива, эффективным смешиванием топлива с окислителем с целью получения равномерной горючей смеси, созданием технологических условий для тепловой подготовки, воспламенения и сгорания топливной смеси, видом окислителя и оптимальным значением коэффициента его избытка, тепловыми показателями устройства для сжигания, видом используемого топлива и др. [2-4].

Результаты и обсуждение

Как показывают эксперименты, скорость горения ВЭТ при этом зависит от скорости испарения микрокаплей суспензии от скорости горения паров ВЭТ, продуктов его термического разложения.

Для того, чтобы ВЭТ горела, необходимо структурировать воду с топливом, либо хорошо смешанную воду с взвешенными мелкодисперсными частичками углеводородного топлива, подать в камеру топочного устройства, в которой находится стальная мелкая сетка. Таким образом, чтобы смесь распылилась на сетке. На начальной стадии необходимо нагреть сетку, минимум до 6500С, а лучше до 800–9000С. Затем распыляя смесь на горячую сетку, будет осуществляться стабильное горение с выделением большого количества температуры и перегретого пара, который используем либо как теплоноситель, либо как рабочее тело для отопления. Стальная сетка служит во первых катализатором для терморазложения воды, во вторых источником тепла для воспламенения молекул углеводорода.

Получить структурированную водно-топливную эмульсию можно с использованием эффекта кавитации. Технология кавитации позволяет обеспечить взаимное перемешивание несмешивающихся жидкостей, как правило, разно полярных, и получить высокостойкие и высокодисперсные, не расслаивающиеся в течение длительного времени топливные смеси. Благодаря диспергации и кавитационному воздействию углеродное топливо превращается в гомогенную суспензию, в которой полностью перемешаны все фракции, а также добавленная вода. Наилучшие результаты по скорости структурирования, получаются при температуре жидкости в диапазоне 35-420С. Удовлетворительные от +100С до +450С. Выше 450С до 550С резко увеличивается время структурирования, а выше 600С, вообще не удается.

Подача эмульсии осуществляется дополнительным насосом, который можно расположить на одном валу с кавитатором. Корпус кавитатора сильно греется, поэтому необходимо предусмотреть контур охлаждения. Диск кавитатора, изготавливается из высокоуглеродистой стали, корпус- из обычной конструкционной. Зазор между диском и лопатками определяет нагрузку на двигатель и составляет около 1-3 мм.

Поскольку вода не сжимаема, но она очень хорошо разжимаема, то после прохождения через кавитатор водный поток превращается в гетерегенную смесь с пузырьками. Когда эти пузырьки сжимаются, из-за ускорения, возникает высокое давление, достигающее по разным данным несколько сот мегапаскаль. При этом молекулы жидкостей, не соединяющиеся в обычных условиях, прекрасно соединяются. Формируются объемные кластерные структуры.

В результате, полученные жидкости — горят, а выделенный при этом перегретый пар способен отдать значительное количество тепла, для обогрева скажем водяного котла.

Таким образом, ВЭТ позволяет экономить много дефицитного топлива.

Применение эмульсии позволяет интенсифицировать процесс горения, свести на нет образование нагара и различных отложений, как на стенках камеры топочного устройства, так и на форсунке.

Вода, прошедшая обработку в вихревом кавитаторе не образует отложения в каналах, и разрушает старые отложения. При кавитационной обработке жидкой среды, вней протекают сложные физико-химические процессы.

Выводы

В результате выполненных исследований установлено, что:

• 1.    Применение гидроударной технологии позволяет решать комплекс вопросов, связанных с активацией жидкофазных продуктов. В частности, на примере воды и жидкостей на ее основе показано: повышение функциональной активности технологических сред; сохранение эффекта стерилизации жидкости воды и др.

• 2.    Установлен активационное, диспергирующее и зола отделяющее действие гидроударной кавитации на основе воды и ее производных, обусловленые ударнодинамическим, электро-волновым эффектом, усиливающих ее результативность.

Гидродинамическая кавитационная обработка жидких топлив будет наиболее эффективным способом безреагентной модификации топлива и необходимо разработать способы создания таких устройств и процессов.

Кавитация сопровождается частичным разрушением самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые еще больше инициируют процессы сгорания. При этом отметим, что кавитационная обработка топлива, «дотягивает» фракционный состав «смесевого бензина» до стандартного.