RU2094132C1

RU2094132C1 - Device for preparation of fuel mixture

Info

Publication number: RU2094132C1
Application number: RU93017946A
Authority: RU
Inventors: Юрий Григорьевич Плескачевский
Original assignee: Юрий Григорьевич Плескачевский
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: liquid fuel preparation systems; burning fuel in heat-generating plants. SUBSTANCE: device is used for unidirectional flow of media being mixed. Taper angle of inner surface of confuser and area of circular clearance between this surface and outer surface of steam nozzle are so selected that they smoothly decrease in way of flow. Diameters d_conf and d_noz of confuser and steam nozzle are related at (d_conf-d_noz) ≅ 0,20•d

\binom{0,75}{noz}

in section of outlet edge of nozzle. Part of mixing chamber between cylindrical section and confuser is made in the form of coaxial shoulder not exceeding 0,25d_noz. Part of mixing chamber between cylindrical section and diffuser is made with opening in way of flow not exceeding 0.07. Length of cylindrical portion is equal to 0.2-0.4 of length of mixing chamber. Device is provided with cooling medium supply system made in the form of at least three radially extended passages evenly located over circumference. Outlet holes of these passages are located in plane perpendicular to axis of device at a distance to 0.5-0.8 of distance between mixing chamber and outlet edge of steam nozzle. Outlet holes project from inner surface of confuser towards axis of device; diameter of projecting part is equal to 0.6-0.9 d_noz.. Taper angle of confuser in section of outlet edge of nozzle ranges from 7 to 15 deg and from 3 to 10 deg in minimum section. Outlet edge of nozzle is pointed at an angle not exceeding 10 deg. Device is detachable at point of attachment of confuser to housing for longitudinal shift of flow section of housing relative to outlet edge of nozzle. Steam supply pipe is rigidly secured in outlet end section of housing. EFFECT: enhanced efficiency. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области получения высококачественных топливных смесей прежде всего с водой для применения их в теплоэнергетике и может быть использовано в системах подготовки жидкого топлива, в основном мазуте, для сжигания в теплогенерирующих установках. The invention relates to the field of producing high-quality fuel mixtures, primarily with water, for use in heat power engineering and can be used in liquid fuel preparation systems, mainly fuel oil, for combustion in heat generating plants.

Известно, что добавление небольшого количества воды к топливу в процессе горения может привести к уменьшению образования вредных веществ, в основном NO_x, и некоторой экономии топлива.It is known that the addition of a small amount of water to the fuel during combustion can reduce the formation of harmful substances, mainly NO _x , and some fuel economy.

Так, по существующим данным, добавление 10-15% воды в процессе горения приводит к снижению NO_x на 40-50% и повышению КПД до 2% (Кривоносов Б.М. Эффективность сжигания газа и охрана окружающей среды. Л. 1986 г. Подавление окислов азота дозированным впрыском воды в зону горения топки котла. Теплоэнергетика, N 10, с. 73, 1990; Новый способ сжигания органических топлив в топках котлов. Теплоэнергетика, N 5, с.9, 1991 и др.).So, according to existing data, the addition of 10-15% of water in the combustion process leads to a 40–50% decrease in NO _x and an increase in efficiency up to 2% (BM Krivonosov. Gas burning efficiency and environmental protection. L. 1986. Suppression of nitrogen oxides by dosed injection of water into the combustion zone of the boiler furnace. Thermal engineering, N 10, p. 73, 1990; A new method of burning organic fuels in boiler furnaces. Thermal engineering, N 5, p. 9, 1991, etc.).

Для достижения указанных эффектов необходимо тщательно перемешать топливо с водой, т.е. получить высококачественную водотопливную смесь. Смешивание воды и топлива производят как в механических, так и в струйных смесителях. На эффективность использования смесей, в частности для сгорания, оказывает влияние качество получаемой смеси, прежде всего размеры диспергируемых частиц (масштаб дисперсности) и равномерность их распределения в топливе (гомогенность). По сравнению с механическим струйные смесители могут обеспечить дисперсность и гомогенность более высокого порядка при меньших энергетических затратах. Однако им присущи общие для струйных устройств недостатки, например, повышенная чувствительность к изменению режимов и параметров смешиваемых сред, что особенно сказывается при запуске или значительных режимных переходах. Все это существенно ограничивает использование таких смесителей на практике. To achieve these effects, it is necessary to thoroughly mix the fuel with water, i.e. get a high-quality water-fuel mixture. Water and fuel are mixed in both mechanical and jet mixers. The efficiency of the use of mixtures, in particular for combustion, is affected by the quality of the mixture obtained, especially the size of the dispersible particles (dispersion scale) and the uniformity of their distribution in the fuel (homogeneity). Compared to mechanical, jet mixers can provide dispersion and homogeneity of a higher order at lower energy costs. However, they have common disadvantages for inkjet devices, for example, increased sensitivity to changes in the modes and parameters of mixed media, which is especially true at startup or significant mode transitions. All this significantly limits the use of such mixers in practice.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для приготовления топливной смеси с однонаправленным движением смешиваемых сред, содержащее корпус с топливным трубопроводом, проточную часть в виде соосно установленных конфузора, камеры смешения с цилиндрическим участком и диффузора, трубку подвода пара с паровым соплом, расположенную по оси конфузора с образованием с ним кольцевого зазора и обеспечением возможности изменения расстояния до камеры смешения (US, патент, 4831562, кл. B 01 D 19/00, 1989). The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a device for preparing a fuel mixture with unidirectional movement of mixed media, comprising a housing with a fuel pipeline, a flow part in the form of a coaxially mounted confuser, a mixing chamber with a cylindrical section and a diffuser, a steam supply pipe with a steam nozzle located along the axis of the confuser with the formation of an annular gap with it and providing the possibility of changing the distance to the mixing chamber (US patent 4,831,562, class B 01 D 19/0 0, 1989).

Для изменения расстояния в стенке трубопровода подачи диспергируемой жидкости в месте прохода трубки для подвода пара выполнен уплотняющий сальник, обеспечивающий возможность продольного перемещения трубки подвода и одновременно герметизацию внутреннего объема трубопроводов. При прохождении через сопло газообразная среда разгоняется до звуковой или сверхзвуковой скорости и захватывает (увлекает) эжектируемую среду. Образовавшаяся газожидкостная смесь, как известно, имеет скорость звука, существенно меньшую той, которая присуща однофазной среде. Превышение такой средой скорости звука приводит к образованию скачка уплотнения. Возникший скачок в свою очередь способствует образованию мельчайшей дисперсности и равномерному распределению частиц диспергируемой среды в объеме. В устройстве-прототипе существуют условия образования скачка уплотнения в основном для ньютоновских жидкостей. Для вязких жидкостей, к которым относится мазут, необходимы столь высокие затраты энергии для "проталкивания" жидкости, что использование такого устройства становится неэффективным. Кроме того, устройство-прототип не обеспечивает работоспособность при изменении режимных термодинамических параметров смешиваемых сред и, в первую очередь, при запуске, свойственных промышленным установкам. Предусмотренная в нем возможность изменить расстояние между соплом и камерой смешения не в состоянии компенсировать весь диапазон изменений параметров и не позволяет регулировать степень обводнения. При этом размещение узла изменения расстояния в зоне повышенных температур, т.е. по паропроводу, существенно усложняет конструкцию устройства-прототипа. To change the distance in the wall of the dispersed fluid supply pipe at the passage of the steam supply pipe, a sealing gland is made, which allows longitudinal movement of the supply pipe and at the same time sealing the internal volume of the pipelines. When passing through the nozzle, the gaseous medium accelerates to sonic or supersonic speed and captures (carries away) the ejected medium. The resulting gas-liquid mixture, as is known, has a sound speed substantially lower than that inherent in a single-phase medium. Exceeding such a medium by the speed of sound leads to the formation of a shock wave. The resulting jump, in turn, contributes to the formation of minute dispersion and a uniform distribution of particles of the dispersible medium in the volume. In the prototype device, there are conditions for the formation of a shock wave mainly for Newtonian fluids. For viscous fluids, which include fuel oil, such a high energy expenditure is required for “pushing” the fluid that the use of such a device becomes ineffective. In addition, the prototype device does not provide operability when changing the operating thermodynamic parameters of the mixed media and, first of all, at startup, characteristic of industrial plants. The possibility provided for in it to change the distance between the nozzle and the mixing chamber is not able to compensate for the entire range of parameter changes and does not allow regulating the degree of watering. In this case, the location of the node changes the distance in the zone of elevated temperatures, i.e. through the steam line, significantly complicates the design of the prototype device.

Задача изобретения повышение качества, т.е. масштаба дисперсности и гомогенности приготовляемой топливной смеси и сохранение этих качеств при режимных изменениях рабочих параметров смешиваемых сред, придание устройству новой функции регулирование степени обводнения с целью улучшения процесса горения, направленного прежде всего на снижение вредных выбросов в атмосферу и экономию топлива, а также на снижение энергоемкости устройства и упрощение конструкции. The objective of the invention is improving quality, i.e. the degree of dispersion and homogeneity of the prepared fuel mixture and the preservation of these qualities under regime changes in the operating parameters of the mixed media, giving the device a new function, regulating the degree of watering in order to improve the combustion process, aimed primarily at reducing harmful emissions into the atmosphere and saving fuel, as well as reducing energy intensity devices and simplification of design.

Для решения поставленной задачи в устройстве приготовления топливной смеси с однонаправленным движением смешиваемых сред, содержащем корпус с топливным трубопроводом, проточную часть в виде соосно установленных конфузора, камеры смешения с цилиндрическим участком и диффузора, трубку подвода пара с паровым соплом, расположенную по оси конфузора с образованием с ним кольцевого зазора и обеспечением возможности изменения расстояния до камеры, согласно изобретению, угол конусности внутренней поверхности конфузора и площадь кольцевого зазора между этой поверхностью и наружной поверхностью первого сопла выбраны плавно уменьшающимися в направлении потока, диаметры d_k и d_c конфузора и парового сопла в сечении выходной кромки сопла связаны соотношением
(d_к- d_c) ≅ 0,20 •d $\binom{o,75}{c}$ _,
часть камеры смешения между цилиндрическим участком и конфузором выполнена в виде коаксиального уступа длиной не более 0,25 d_c, ее часть между цилиндрическим участком и диффузором выполнена с раскрытием по потоку не более 0,07, а длина цилиндрической части составляет 0,2-0,4 длины камеры смешения, при этом устройство снабжено системой подачи охлаждающей среды в виде не менее трех радиально вытянутых и равномерно размещенных по окружности каналов, выходные отверстия которых расположены в плоскости, перпендикулярной оси устройства на расстоянии, выбранном равным 0,5-0,8 расстояния от камеры смешения до выходной кромки парового сопла, и выполнены выступающими от внутренней поверхности конфузора в направлении к оси устройства, причем диаметр выступающей части выбран равным 0,6-0,9 d_c.To solve this problem, in a device for preparing a fuel mixture with unidirectional movement of mixed media containing a housing with a fuel pipeline, a flowing part in the form of a coaxially mounted confuser, a mixing chamber with a cylindrical section and a diffuser, a steam supply pipe with a steam nozzle located along the axis of the confuser with the formation with it an annular gap and providing the possibility of changing the distance to the camera, according to the invention, the taper angle of the inner surface of the confuser and the area of the annular Azora between this surface and the outer surface of the first nozzle selected smoothly decreasing in the flow direction, the diameters d _k and d _c converger and the steam nozzle at the outlet edge of the nozzle are related by
(d _to - d _c ) ≅ 0.20 • d $\binom{o 75}{c}$ _,
part of the mixing chamber between the cylindrical section and the confuser is made in the form of a coaxial ledge with a length of not more than 0.25 d _c , its part between the cylindrical section and the diffuser is made with a flow opening of not more than 0.07, and the length of the cylindrical part is 0.2-0 , 4 lengths of the mixing chamber, while the device is equipped with a coolant supply system in the form of at least three channels radially elongated and evenly spaced around the circumference, the outlet openings of which are located in a plane perpendicular to the axis of the device at distances and selected 0.5-0.8 equal distance from the mixing chamber to the steam outlet nozzle edge and formed protruding from the inner surface of the converging tube toward the axis of the device, the diameter equal to 0,6-0,9 d _c projecting portion is selected.

Наиболее эффективно устройство работает, если угол конусности конфузора в сечении выходной кромки парового сопла составляет 7-15^o, а в минимальном сечении 3-10^o, но всегда меньше, чем в сечении кромки сопла. Выходная кромка сопла имеет заострение ≅ 10^o.The device works most efficiently if the taper angle of the confuser in the section of the outlet edge of the steam nozzle is 7-15 ^° , and in the minimum section of 3-10 ^° , but always less than in the section of the nozzle edge. The nozzle exit edge has a sharpness of рение 10 ^o .

Для изменения расстояния между соплом и камерой смешения устройство должно быть выполнено разъемным в месте крепления конфузора к корпусу с обеспечением возможности продольного перемещения элемента проточной части относительно кромки сопла, а трубка подвода пара жестоко закреплена в торцевой части корпуса. To change the distance between the nozzle and the mixing chamber, the device must be made detachable at the attachment point of the confuser to the body with the possibility of longitudinal movement of the flow part relative to the nozzle edge, and the steam supply tube is rigidly fixed in the end part of the body.

Данная форма поверхности конфуза и парового сопла позволяет максимально разогнать поток топлива при минимальных гидравлических потерях за счет обеспечения непрерывного поджатия, а площадь проходного сечения в районе входной кромки сопла обеспечивает достижение такой скорости потока топлива перед смешением, при которой реализуется эффективный обмен импульсом при минимальных потерях. This shape of the surface of embarrassment and the steam nozzle allows you to maximize the fuel flow with minimal hydraulic losses due to the provision of continuous compression, and the flow area in the vicinity of the nozzle inlet edge ensures that the fuel flow rate before mixing at which an effective pulse exchange is realized with minimal loss.

Введение в конструкцию системы подачи охлаждающей среды позволяет, с одной стороны, осуществить дополнительный отвод тепла при фазовых превращениях, что обеспечивает поддержание процесса конденсации и тем самым сохранение высокой степени дисперсности, т.е. позволяет в широких пределах регулировать работу устройства при изменении параметров смешиваемых сред и упрощает процесс запуска, а с другой, позволяет регулировать степень обводнения топлива, если охлаждающей средой является вода. Introduction to the design of the cooling medium supply system allows, on the one hand, additional heat removal during phase transformations, which ensures the maintenance of the condensation process and thereby maintains a high degree of dispersion, i.e. it allows you to widely control the operation of the device when changing the parameters of the mixed media and simplifies the start-up process, and on the other hand, allows you to adjust the degree of flooding of the fuel, if the cooling medium is water.

Особая геометрия камеры смешения, имеющей коаксиальный уступ на входе, позволяет создать концентрированное сжатие потока, обеспечивающее начало бурной конденсации, и зафиксировать таким образом начало возникновения скачка уплотнения непосредственно на цилиндрическом уровне, а незначительное раскрытие камеры смешения на ее входе, с одной стороны, снижает потери энергии потока, если скачок (при одном сочетании параметров смешиваемых сред) завершается в районе цилиндрического участка, а с другой, сохраняет возможность завершения скачка за границей цилиндрического участка (при других сочетаниях параметров), поскольку вызванные на изломе стенки возмущения всегда будут слабее межфазных. При этом длина цилиндрической части камеры смешения должна обеспечивать в основном завершение формирования скачка уплотнения при средних значениях изменяемых диапазонов параметров смешиваемых сред. The special geometry of the mixing chamber, which has a coaxial step at the inlet, makes it possible to create a concentrated compression of the flow, which ensures the onset of violent condensation, and thus fix the onset of the shock wave directly at the cylindrical level, and insignificant opening of the mixing chamber at its inlet, on the one hand, reduces losses flow energy, if the jump (with one combination of the parameters of the mixed media) is completed in the region of the cylindrical section, and on the other hand, it remains possible to complete the jump beyond the boundary of the cylindrical section (with other combinations of parameters), since the disturbances caused by the fracture of the wall will always be weaker than the interfacial. At the same time, the length of the cylindrical part of the mixing chamber should basically ensure the completion of the formation of a shock wave at average values of the variable ranges of parameters of the mixed media.

В существующих теплогенерирующих установках даже в процессе работы на заданном режиме изменения параметров достигают величин, которые приводят к нарушению устойчивости работы струйных устройств. Еще значительнее меняются параметры смешиваемых сред в процессе запуска или при изменении режимов работы самих котлоагрегатов. Предложенная конфигурация камеры смешения максимально учитывает указанные изменения степени обводнения. In existing heat-generating installations, even during operation in a given mode, parameter changes reach values that lead to a violation of the stability of the operation of inkjet devices. The parameters of the mixed media change even more significantly during the start-up process or when the operating modes of the boiler units themselves change. The proposed configuration of the mixing chamber maximally takes into account the indicated changes in the degree of watering.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 - поперечное сечение АОО,А, фиг. 1; на фиг. 3 схема подключения устройства к соответствующим магистралям. In FIG. 1 shows a General view of the device in section; in FIG. 2 is a cross section of AOO, A, FIG. one; in FIG. 3 diagram of connecting the device to the corresponding highways.

Устройство для приготовления топливной смеси с однонаправленным движением смешиваемых сред содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндрической оболочки, на поверхности которого имеются топливный трубопровод 2 и патрубок 3 для подвода охлаждающей среды, проточную часть в виде соосно установленных конфузора 4, камеры 5 смешения с коаксиальным уступом 6, цилиндрическим участком 7 и идущим за ним с незначительным раскрытием участком 8, диффузор 9 и трубку 10 подвода пара с паровым соплом 11, проходящую сквозь глухую стенку одного из торцов корпуса 1 и расположенную по оси конфузора 4 с образованием с ним кольцевого зазора и обеспечением возможности изменения расстояния до камеры 10 смешения. Жесткое крепление трубки 10 подвода пара к корпусу 1 обеспечивает соосное положение парового сопла 11 относительно элементов проточной части. A device for preparing a fuel mixture with unidirectional movement of mixed media contains a housing 1 made in the form of a cylindrical shell, on the surface of which there is a fuel pipe 2 and a pipe 3 for supplying a cooling medium, a flow part in the form of a coaxially mounted confuser 4, a mixing chamber 5 with a coaxial step 6, a cylindrical section 7 and a portion 8 following it with a slight opening, a diffuser 9 and a steam supply pipe 10 with a steam nozzle 11 passing through the blind wall of one of the ends of the housing 1 and a converger arranged on the axis 4 to form with it an annular gap and allowing changes of distance to the mixing chamber 10. Rigid fastening of the tube 10 for supplying steam to the housing 1 provides a coaxial position of the steam nozzle 11 relative to the elements of the flowing part.

С другого торца корпус 1 открыт для установки и закрепления в нем обечайки 12 с возможностью перемещения и фиксации в осевом направлении корпуса 1. From the other end, the housing 1 is open for installation and fixing in it the shell 12 with the possibility of movement and fixing in the axial direction of the housing 1.

Конфузор 4 выполнен в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого представляет собой осесимметричную коническую поверхность, угол конусности которой и площадь кольцевого зазора между этой поверхностью и наружной поверхностью парового сопла 11 выбраны плавно уменьшающимися в направлении потока. The confuser 4 is made in the form of a cylinder, the inner surface of which is an axisymmetric conical surface, the taper angle of which and the area of the annular gap between this surface and the outer surface of the steam nozzle 11 are smoothly decreasing in the flow direction.

Угол конусности конфузора 4 в сечении выходной кромки сопла 11 выбран равным от 7 до 15^o, а в минимальном сечении от 3 до 10^o.The taper angle of the confuser 4 in the section of the outlet edge of the nozzle 11 is selected to be from 7 to 15 ^o , and in the minimum section from 3 to 10 ^o .

Примером конкретного конструктивного выполнения являются углы 12 и 4^o соответственно.An example of a specific structural embodiment are angles 12 and 4 ^o, respectively.

По наружной поверхности конфузор 4 имеет кольцевую расточку 13, выполняющую роль коллектора и представляющую собой систему подачи охлаждающей среды в виде не менее трех радиально вытянутых и равномерно размещенных по окружности каналов 14. On the outer surface, the confuser 4 has an annular bore 13, which acts as a collector and is a cooling medium supply system in the form of at least three radially elongated and evenly spaced channels 14.

Расточка 13 в продольном направлении расположена в районе патрубка 3 для подвода охлаждающей среды и имеет осевой размер, обеспечивающий беспрепятственное поступление среды при перемещении конфузора 4. The bore 13 in the longitudinal direction is located in the region of the nozzle 3 for supplying a cooling medium and has an axial dimension that ensures unhindered flow of the medium when moving the confuser 4.

Выходные отверстия каналов 14 расположены в плоскости, перпендикулярной оси устройства на расстоянии, выбранном равным от 0,5 до 0,8 расстояния от камеры 5 смешения до выходной кромки парового сопла 11. В приведенном примере это значение составляет 0,7-0,58. The outlet openings of the channels 14 are located in a plane perpendicular to the axis of the device at a distance selected equal to from 0.5 to 0.8, the distance from the mixing chamber 5 to the output edge of the steam nozzle 11. In the above example, this value is 0.7-0.58.

Выходные отверстия каналов 14 расположены в плоскости, перпендикулярной оси устройства, на расстоянии, выбранном равным от 0,5 до 0,8 расстояния от камеры смешения до выходной кромки парового сопла, и выполнены выступающими от внутренней поверхности конфузора в направлении к оси устройства, причем диаметр выступающей части выбран равным 0,6-0,9 d_с.The outlet openings of the channels 14 are located in a plane perpendicular to the axis of the device, at a distance selected from 0.5 to 0.8, the distance from the mixing chamber to the output edge of the steam nozzle, and made protruding from the inner surface of the confuser in the direction to the axis of the device, the diameter the projecting portion is selected equal _to 0,6-0,9 d.

Приводимые конкретные значения характеристик соответствуют такому положению конфузора 4, когда патрубок 3 подвода охлаждающей среды находится посередине осевого размера расточки 13. При этом расход топлива соответствует порядка 50% от номинального. Given specific values of the characteristics correspond to the position of the confuser 4, when the pipe 3 for supplying a cooling medium is located in the middle of the axial size of the bore 13. In this case, the fuel consumption corresponds to about 50% of the nominal value.

Расточка 13, каналы 14 и патрубок 3 образуют систему подачи охлаждающей среды. The bore 13, the channels 14 and the pipe 3 form a system for supplying a cooling medium.

Паровое сопло 11 имеет наружную поверхность без резких изломов, чтобы совместно с внутренней поверхностью конфузора 4 обеспечить непрерывное уменьшение площади кольцевого зазора, через который проходит топливо. Причем диаметры d_c и d_k выходного сечения сопла 11 и конфузора 4 в этом же сечении связаны между собой эмпирческой зависимостью (d_k - d_c)≅ 0,20d $\binom{o,75}{c}$ . Само сопло 11 должно заканчиваться острой кромкой с заострением не более 10^o, так как превышение указанного заострения, с одной стороны, будет генерировать вихри, а с другой, резко увеличивать потери на удар, что значительно ухудшит эффективность устройства.The steam nozzle 11 has an outer surface without sharp breaks in order to, together with the inner surface of the confuser 4, provide a continuous decrease in the area of the annular gap through which the fuel passes. Moreover, the diameters d _c and d _{k of the} output section of the nozzle 11 and confuser 4 in the same section are related by the empirical dependence (d _k - d _c ) ≅ 0.20d $\binom{o 75}{c}$ . The nozzle 11 itself must end with a sharp edge with a point of no more than 10 ^o , since exceeding the specified point, on the one hand, will generate vortices, and on the other hand, sharply increase impact losses, which will significantly worsen the efficiency of the device.

Уступ 9 может быть выполнен прямым или наклонным к оси устройства, но в последнем случае его длина не должна превышать 0,25d_c. Длина цилиндрического участка 7 составляет всего 0,20-0,4 всей длины камеры 5 смешения. Участок 8 должен иметь незначительное раскрытие ≅ 0,07. В приведенном примере использован наклонный уступ 6 протяженностью 0,18d_c, цилиндрический участок 7 имеет относительную длину 0,35, а раскрытие участка 8 составляет 0,045 (т.е.

1^o15').The step 9 can be made straight or inclined to the axis of the device, but in the latter case, its length should not exceed 0.25d _c . The length of the cylindrical section 7 is only 0.20-0.4 of the entire length of the mixing chamber 5. Section 8 should have a slight opening of ≅ 0.07. In the above example, an inclined step 6 with a length of 0.18 d _{c was used} , the cylindrical section 7 has a relative length of 0.35, and the disclosure of section 8 is 0.045 (i.e.

1 ^o 15 ').

Устройство выполнено разъемным в месте крепления конфузора 4 к корпусу 1 с обеспечением возможности продольного перемещения проточной части относительно выходной кромки сопла 5. The device is made detachable in the place of attachment of the confuser 4 to the housing 1 with the possibility of longitudinal movement of the flow part relative to the output edge of the nozzle 5.

Все элементы проточной части (конфузор 6, камера 10 смешения и диффузор 14) жестко соединены между собой и могут быть выполнены как единое целое. All elements of the flow part (confuser 6, mixing chamber 10 and diffuser 14) are rigidly interconnected and can be made as a whole.

Обечайка 12 представляет собой трубку, в которой раскреплены элементы проточной части устройства, и служит для обеспечения их соосности и осевого перемещения относительно корпуса 1. С одного торца обечайка 12 имеет направляющую цилиндрическую поверхность, которая входит в корпус 1 и предназначена для фиксации элементов проточной части как в продольном, так и в поперечном направлениях. Другим концом обечайка 12 крепится к трубопроводу 15 водотопливной эмульсии (фиг.3). В случае, если по монтажным и другим соображениям незначительные перемещения трубопровода 15 исключаются, то для компенсации продольных перемещений обечайки 12 необходимо установить гибкий элемент 16. Кроме того, на фиг. 3 показаны клапаны 17-19 для регулирования подачи пара, топлива и охлаждающей среды соответственно. The shell 12 is a tube in which the elements of the flowing part of the device are fastened, and serves to ensure their coaxiality and axial movement relative to the housing 1. At one end, the shell 12 has a guiding cylindrical surface that enters the housing 1 and is designed to fix the elements of the flowing part as in the longitudinal and transverse directions. The other end of the shell 12 is attached to the pipeline 15 water-fuel emulsion (figure 3). If, for installation and other reasons, insignificant movements of the pipe 15 are excluded, then to compensate for the longitudinal movements of the shell 12, it is necessary to install a flexible element 16. In addition, in FIG. 3 shows valves 17-19 for controlling the flow of steam, fuel and cooling medium, respectively.

Геометрические характеристики заявляемой конструкции были экспериментально подтверждены при испытаниях в производственных условиях на мазуте марки М-100 в следующих диапазонах изменений параметров: подпор и температура топлива соответственно 6-14 м 70-110^oC; давление влажного, насыщенного пара 0,14-1,2 МПа; температура охлаждающей среды 10-27^oC.The geometric characteristics of the claimed design were experimentally confirmed during testing under industrial conditions on fuel oil grade M-100 in the following ranges of parameter changes: fuel pressure and temperature, respectively 6-14 m 70-110 ^o C; wet, saturated steam pressure 0.14-1.2 MPa; the temperature of the cooling medium is 10-27 ^o C.

Полученные в результате испытаний характеристики хорошо соответствуют расчетным и подтверждают правильность выбора геометрических размеров. Часть геометрических характеристик определялась опытным путем. The characteristics obtained as a result of testing are in good agreement with the calculated ones and confirm the correct choice of geometric dimensions. Part of the geometric characteristics was determined empirically.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Пар в сопле 11 расширяется до звуковой (сверхзвуковой) скорости и давление за соплом 11 значительно понижается. Давление за соплом выбирается таким, чтобы обеспечивался требуемый расход топлива и скорость потока топлива в районе кромки сопла 11 достигала максимально возможного значения по условиям гидравлических потерь. Указанное требование достигается постоянным уменьшением кольцевой площади проходного сечения для топлива, образуемого внутренней конической поверхностью конфузора 4 с уменьшающимся по потоку углом конусности и наружной поверхностью сопла 11, выполненной без резких изломов. Причем в плоскости кромки сопла 11 кольцевой зазор между конфузом 4 и соплом 11 выбирается из условия
(d_к- d_c) ≅ 0,20 •d $\binom{o,75}{c}$ _,
определяемого эмпирическим путем на основании опытов. Знак равенства относится к средам с вязкостью 15-20^o ВУ (ν 100-150 мм²/с), а меньшие значения -для сред с меньшей вязкостью.The vapor in the nozzle 11 expands to sonic (supersonic) speed and the pressure behind the nozzle 11 is significantly reduced. The pressure behind the nozzle is selected so that the required fuel consumption is ensured and the fuel flow rate in the region of the edge of the nozzle 11 reaches the maximum possible value under the conditions of hydraulic losses. The specified requirement is achieved by a constant decrease in the annular area of the flow cross section for fuel, formed by the inner conical surface of the confuser 4 with a decreasing taper angle and the outer surface of the nozzle 11, made without sharp kinks. Moreover, in the plane of the edge of the nozzle 11, the annular gap between the embarrassment 4 and the nozzle 11 is selected from the condition
(d _to - d _c ) ≅ 0.20 • d $\binom{o 75}{c}$ _,
empirically determined on the basis of experiments. The equal sign refers to media with a viscosity of 15-20 ^o WU (ν 100-150 mm ² / s), and lower values for media with a lower viscosity.

Форма канала конфузора 4 от сопла 11 до камеры 10 смешения (уменьшение конусности с 7-15^o в сечении кромки сопла 11 до 3-10^o в месте сопряжения с камерой 10 смешения) позволяет обеспечить дополнительный разгон и сохранение волновой структуры поверхности пленки топлива до момента начала бурных межфазных превращений. Кроме того, ограничения по углам конусности ограничивают и осевой размер зоны "раздельного" течения сред, обеспечивающих в основном передачу импульса, а не тепла. Если участок будет существенно длиннее, то начнутся более массовые фазовые переходы, что нарушит необходимое влияние геометрии камеры смешения. Если же участок будет короче, то скольжение между фазами перед камерой смешения может оказаться больше допустимого.The shape of the channel of the confuser 4 from the nozzle 11 to the mixing chamber 10 (reducing the taper from 7-15 ^o in the section of the nozzle edge 11 to 3-10 ^o at the interface with the mixing chamber 10) allows for additional acceleration and preservation of the wave structure of the surface of the fuel film until the beginning of rapid interfacial transformations. In addition, restrictions on the taper angles limit the axial size of the zone of "separate" flow of media, providing mainly the transfer of momentum, and not heat. If the section is significantly longer, more massive phase transitions will begin, which will violate the necessary effect of the geometry of the mixing chamber. If the section is shorter, then the slip between the phases in front of the mixing chamber may be more than acceptable.

Выбор заострения кромки сопла 11 не более 10^o обеспечивает отсутствие вихреобразований за кромкой парового сопла.The choice of the pointed edge of the nozzle 11 is not more than 10 ^o ensures the absence of eddies beyond the edge of the steam nozzle.

При течении сред в указанном режиме от кромки сопла 11 и до камеры 10 смешения осуществляются процессы эффективного тепло- и массообмена только в слое смешения, т.е. происходят дополнительный разгон потока топлива и переохлаждение парового потока. When the media flow in the indicated mode from the edge of the nozzle 11 and to the mixing chamber 10, the processes of effective heat and mass transfer are carried out only in the mixing layer, i.e. additional acceleration of the fuel flow and supercooling of the steam flow occur.

В реальных условиях теплоэнергетических производств в большинстве случаев соотношения термических параметров смешиваемых сред не в состоянии обеспечить величину переохлаждения, необходимую для дальнейшего осуществления эффективного процесса межфазных превращений, поскольку необходимо выполнение противоречивых условий. С одной стороны, с целью снижения затрат мощности на "проталкивание" топлива его необходимо подогреть, что в процессах струйного перемешивания приводит к "запариванию". С другой стороны, уменьшение температуры до величин, обеспечивающих необходимый теплоотвод от конденсируемого парового потока, вызывает рост энергозатрат на "проталкивание" топлива выше допустимых, тем более в условиях щелевого течения. In the real conditions of heat and power production, in most cases, the ratio of the thermal parameters of the mixed media is not able to provide the amount of supercooling necessary for the further implementation of the effective process of interfacial transformations, since contradictory conditions must be met. On the one hand, in order to reduce the power consumption for “pushing” fuel, it is necessary to heat it up, which leads to “steaming” in the processes of jet mixing. On the other hand, a decrease in temperature to values that provide the necessary heat removal from the condensed vapor stream causes an increase in energy consumption for “pushing” the fuel above the permissible ones, especially under conditions of a slit flow.

Для обеспечения дополнительного отвода тепла в смешиваемые потоки подается охлаждающая среда (в приведенных испытаниях вода). Эта среда подается таким образом, что часть ее (40-70%) перемешивается с мазутом, другая часть (10-25%) поступает непосредственно в поток переохлажденного пара, а оставшаяся часть водяной массы приходится на слой смешения. Подобное распределение охлаждающей среды обеспечивается перекрытием выходными отверстиями каналов 14 проекции площади сопла 11 на 0,1-0,4 его диаметра. Благодаря такому распределению массы охлаждающей среды по сечению потока, значительно ограничиваются образование и коагуляция капель влаги парового потока до начала объемной конденсации, что положительно сказывается на достижении мелкого масштаба дисперсности получаемой эмульсии. При этом окружная симметрия расположения и наличие не менее трех каналов 14 обеспечивают сохранение равномерности распределения параметров потока в тангенциальном направлении. Выходные отверстия каналов 14 выполнены радиально вытянутыми в поперечной плоскости, которая в продольном направлении располагается так, чтобы попавшие в паровой поток капли успели раздробиться до достаточных размеров и способствовали дальнейшему переохлаждению парового потока без существенного изменения масштаба дисперсности. Такому требованию совместно с учетом перемещений конфузора 4 отвечает расположение отверстий каналов 14 от камеры 5 смешения на 0,5-0,8 максимального расстояния между камерой 5 смешения и плоскостью кромки сопла 11. To provide additional heat removal, cooling medium (water in the above tests) is supplied to the mixed flows. This medium is supplied in such a way that part of it (40-70%) is mixed with fuel oil, another part (10-25%) enters directly into the stream of supercooled steam, and the rest of the water mass falls on the mixing layer. Such a distribution of the cooling medium is ensured by overlapping the outlet openings of the channels 14 of the projection of the area of the nozzle 11 by 0.1-0.4 of its diameter. Due to such a distribution of the mass of the cooling medium over the cross section of the stream, the formation and coagulation of moisture droplets of the steam stream before the onset of volumetric condensation is significantly limited, which positively affects the achievement of a small scale dispersion of the resulting emulsion. Moreover, the circumferential symmetry of the arrangement and the presence of at least three channels 14 ensure the uniformity of the distribution of flow parameters in the tangential direction. The outlet openings of the channels 14 are made radially elongated in the transverse plane, which is positioned in the longitudinal direction so that the droplets that fall into the vapor stream have time to split up to a sufficient size and contribute to further supercooling of the vapor stream without significantly changing the dispersion scale. This requirement, together with the movements of the confuser 4, meets the location of the holes of the channels 14 from the mixing chamber 5 by 0.5-0.8 of the maximum distance between the mixing chamber 5 and the plane of the nozzle edge 11.

Благодаря указанным взаимовлияниям смешиваемых потоков, перед камерой 5 смешения получается частично перемешанный поток, состоящий из мазута, воды и переохлажденного пара с частицами влаги. Thanks to the indicated mutual influences of the mixed streams, a partially mixed stream consisting of fuel oil, water and supercooled steam with moisture particles is obtained in front of the mixing chamber 5.

Расположенный при входе в камеру 5 смешения коаксиальный уступ 6 сжимает смесь, фиксируя и активизируя в этом месте начало межфазных превращений. Такое поджатие значительно ограничивает рост размеров капель влаги, поддерживая масштаб дисперсности на минимальном уровне. Сам уступ 6 представляет собой резкое коаксиальное уменьшение проходного сечения по потоку, что обеспечивается его относительно коротким осевым размером от 0 (прямой уступ 6) до 0,25 d_c (уступ 6 с наклоном по движению потока). Чем меньше допускается расширение пара в сопле 11, тем меньше величина поджатия и тем меньше осевая длина уступа 6.The coaxial step 6 located at the entrance to the mixing chamber 5 compresses the mixture, fixing and activating the beginning of interphase transformations in this place. This preload significantly limits the growth of the size of the droplets of moisture, keeping the dispersion scale to a minimum. The step 6 itself represents a sharp coaxial decrease in the flow cross section, which is ensured by its relatively short axial size from 0 (straight step 6) to 0.25 d _c (step 6 with a slope in the direction of flow). The smaller the expansion of steam is allowed in the nozzle 11, the smaller the amount of compression and the smaller the axial length of the step 6.

После уступа 6 поток проходит через цилиндрический участок 7 камеры 5 смешения. Здесь в результате бурного массо- и теплообмена, характерного для скачков уплотнения, резко меняются термодинамические характеристики потока и в основном завершается переход от метастабильного к равновесному состоянию среды, что позволяет не только создать гомогенизированную мелкодисперсную среду, но и обеспечить определенное повышение давления по сравнению с начальным давлением топлива. After the step 6, the flow passes through the cylindrical section 7 of the mixing chamber 5. Here, as a result of rapid mass and heat transfer characteristic of shock waves, the thermodynamic characteristics of the flow change sharply and the transition from a metastable to an equilibrium state of the medium is completed, which allows not only to create a homogenized fine-dispersed medium, but also to provide a certain increase in pressure compared to the initial fuel pressure.

Благодаря незначительному (угол излома всего ≅ 0,07/2) возмущению при переходе с цилиндрического участка 7 на участок 8 с раскрытием в потоке будет сохраняться превалирующий процесс межфазных превращений, если к этому моменту еще не успел оформиться скачок уплотнения. Поскольку протяженность цилиндрического участка 7 рекомендуется оценивать из условия 50% расхода, соответствующего среднестатическому для конкретного потребителя, то в большинстве случаев формирование скачка уплотнения будет завершаться за изломом (считая по потоку), т.е. на участке 8 с незначительным раскрытием. Изменения расчетных параметров и противодавления в этом случае будут приближать или удалять фронт скачка от излома, т.е. миграция фронта не будет выходить из участка 8 с постоянным незначительным раскрытием, что благоприятно скажется на устойчивости работы устройства. Due to an insignificant (kink angle of only ≅ 0.07 / 2) perturbation during the transition from the cylindrical section 7 to section 8 with opening in the stream, the prevailing process of interphase transformations will be preserved if the shock wave has not yet formed. Since the length of the cylindrical section 7 is recommended to be estimated from the condition of 50% of the flow rate corresponding to the average static rate for a particular consumer, in most cases the formation of a shock wave will be completed behind the kink (counting along the flow), i.e. on site 8 with a slight disclosure. Changes in the design parameters and backpressure in this case will approximate or remove the front of the jump from the kink, i.e. front migration will not leave section 8 with a constant slight opening, which will favorably affect the stability of the device.

За камерой 5 смешения располагается диффузор 9, где осуществляется выравнивание поля скоростей и давлений и преобразование части кинетической энергии потока в давление. Behind the mixing chamber 5 there is a diffuser 9, where the velocity and pressure fields are equalized and part of the kinetic energy of the flow is converted to pressure.

При заданном расходе пара и топлива, т.е. при отрегулированном положении клапанов 17, 18 (фиг.3) настройка устройства осуществляется осевым перемещением обечайки 12 в корпусе 1. Изменение степени обводнения осуществляется открытием (прикрытием) клапана 19 на патрубке 3 подвода охлаждающей среды. Кроме того, степень обводнения можно регулировать клапаном 17 на трубопроводе подачи пара с соответствующей подрегулировкой за счет положения конфузора 4 путем перемещения обечайки 12 и совместным изменением положения клапанов 17 и 19. For a given flow rate of steam and fuel, i.e. when the valves 17, 18 (FIG. 3) are adjusted, the device is adjusted by axial movement of the shell 12 in the housing 1. The degree of watering is changed by opening (covering) the valve 19 on the pipe 3 for supplying a cooling medium. In addition, the degree of watering can be controlled by a valve 17 on the steam supply pipe with appropriate adjustment due to the position of the confuser 4 by moving the shell 12 and changing the position of the valves 17 and 19 together.

Испытания устройства, на которые делались ссылки в тексте, подтвердили не только его удовлетворительные эксплуатационные возможности, но и значительное повышение качества эмульсии и благоприятное его влияние на внутрипоточный процесс. Tests of the device referred to in the text confirmed not only its satisfactory operational capabilities, but also a significant increase in the quality of the emulsion and its beneficial effect on the in-line process.

Так, при обводнении в 5-7% при сохранении уровня производственного потребления тепла отмечено более чем трехкратное снижение выбросов 110_x, в то время как известные способы эмульгирования или впрыскивания воды (пара) в топку обеспечивают снижение всего на 40-50% и то лишь при обводнении 10-15% когда обводнение уже негативно сказывается на КПД котлоагрегата.So, when watering at 5-7% while maintaining the level of industrial heat consumption, a more than three-fold reduction in emissions of 110 _x was noted, while the known methods of emulsification or injection of water (steam) into the furnace provide a reduction of only 40-50% and only with watering of 10-15% when watering already negatively affects the efficiency of the boiler.

Claims

1. Device for preparing a fuel mixture with unidirectional movement of mixed media, comprising a housing with a fuel pipe, a flow part in the form of a coaxially mounted confuser, a mixing chamber with a cylindrical section and a diffuser, a steam supply pipe with a steam nozzle located along the confuser axis with the formation of it annular gap and providing the possibility of changing the distance to the mixing chamber, characterized in that the taper angle of the inner surface of the confuser and the area of the annular gap between this erhnostyu and the outer surface of the steam nozzle are selected gradually decreasing in the flow direction _{to the} diameters d and d _c converger and the steam nozzle are respectively coupled to the trailing edge nozzle section ratio (d _a - d _c) ≅ 0.20 • d

\binom{0.75}{from}

, part of the mixing chamber between the cylindrical section and the confuser is made in the form of a coaxial ledge with a length of not more than 0.25 d _c , its part between the cylindrical section and the diffuser is made with a flow opening of not more than 0.07, and the length of the cylindrical part is chosen equal to 0.2 0.4 length of the mixing chamber, while the device is equipped with a coolant supply system in the form of at least three channels radially elongated and evenly spaced around the circumference, the outlet openings of which are located in a plane perpendicular to the axis of the device Toyan selected equal to 0.5 to 0.8 of the distance from the mixing chamber to the steam outlet nozzle edge and formed protruding from the inner surface of the converging tube toward the axis of the device, the diameter of the protruding portion is selected to be 0,6 0,9 d _c.

2. The device according to claim 1, characterized in that the taper angle of the confuser in the section of the outlet edge of the nozzle is chosen equal to 7 15 ^o , and in the minimum section 3 10 ^o .

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the output edge of the nozzle is made with a sharpening not exceeding 10 ^o .

4. The device according to claims 1 to 3, characterized in that it is made detachable at the attachment point of the confuser to the housing with the possibility of longitudinal movement of the flowing part relative to the outlet edge of the nozzle, while the steam supply tube is rigidly fixed in the output end part of the housing.