Обзорная статья о применении кавитаторов

Категория: Для потребителей

Применение кавитационных установок типа УКГ
Приготовление зимнего Д.Т. из летнего
Экономия топлива для кораблей
Экономия топлива для предприятий

Основными факторами, определяющими ценность топлива является его теплотворная способность, определяемая количеством тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы топлива, физическими свойствами рабочего тела, содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. Одним из наиболее радикальных средств повышения эффективности работы теплоэнергетических установок является улучшение качественных характеристик топлива, позволяющих интенсифицировать процесс горения, получить от единицы массы топлива большее количество энергии. Особенно при использовании в дизельных двигателях и в котлоагрегатах использующих высоковязкие мазуты, получаемые из остаточных фракций нефтепереработки.

Улучшение энергетических и экологических показателей теплоэнергетических комплексов в основном достигается посредством усовершенствования процессов горения топлива. В мазуте, как конечном продукте нефтепереработки, сосредотачиваются наиболее тяжелые фракции углеводородов, продукты термического крекинга, окисления, полимеризации, коксования; балласт-негорючая часть, состоящая из минеральной массы, металлов, золы, механических примесей. В процессе крекинга остаточные фракции обедняются водородом, что приводит с снижению теплотворной способности, жаропроизводительности мазута. Качество мазута ухудшается во время транспортировки, при длительном хранении в емкостях мазут окисляется, полимеризуется, насыщается биологическими организмами, обводняется; вследствие химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые, выпадающие в осадок продукты.

Опыт эксплуатации котлоагрегатов на тяжелых сортах топлива показал полную зависимость их долговечной, надежной и эффективной. работы от качества подготовки топлива к сгоранию. Соединения, входящие в состав остаточных нефтяных топлив, асфальтенов, смол, желеобразных сгущений, имеют длинные, развитые молекулярные цепи, с невысокой стабильностью связей С- С, которые могут быть разорваны под воздействием высокочастотных колебаний и за счет массообменных процессов между слоями обрабатываемой среды.
После разрушении высокочастотными акустическими колебаниями длинных углеводородных молекул, образовавшиеся легкие активные радикалы интенсивно перемешиваются вихревым потоком в объеме обрабатываемой среды, вступают в реакцию с молекулами остаточных углеводородных фракций

Обзор Кавитаторов

В настоящее время в мире появилось множество устройств, позволяющих возбудить в жидкости процесс кавитации (образования полостей с отрицательным давлением). Все расчеты и практика показывают, что от величины кавитационной полости зависит скорость схлопывания, а значит и степень воздействия на жидкости, находящиеся в зоне схлопывания. Способов возбуждения кавитации в жидкостях всего четыре.

  • С помощью ультразвуковых колебаний мембраны магнитостриктора. В зоне разряжения волны, образующейся от колебания мембраны тоже происходит образование кавитационных процессов.
  • С помощью проточных труб с переменным сечением или специальными камерами завихрения (фьюсоник). Принцип таков, что при резком падении давления на границе перехода образуются кавитационные полости.
  • С помощью вращения в протекающем потоке ротора (крыльчатки) определенного профиля.
  • С помощью резкого разрыва потока жидкости механическим путем.

1. Магнитострикторы

Самым дорогостоящим и малопроизводительным является магнитостриктор из-за очень дорогостоящей электронно-силовой части, возбуждающей мембрану. В Японии и Швейцарии такие приборы применяют в фармацевтическом и парфюмерно-косметическом производстве. Стоимость таких устройств, с производительностью до 0,5 м3/час, может доходить до 2 000 000 Евро. Но при малой производительности и высокой стоимости такие устройства и малонадежны, и дороги в эксплуатации и ремонте.

2. Кавитаторы типа ФЬЮСОНИК

Такой аппарат представляет собой трубу переменного сечения, без движущихся частей, без двигателя и электроники. Такие аппараты производят наиболее слабое воздействие на обрабатываемую жидкость, за счет того, что:

  • кавитация возникает не во всем объеме, жидкости
  • невозможность постоянного поддержания оптимального режима работы - в зависимости от температуры, давления, вязкости и др. физико-химических параметров обрабатываемой жидкости
  • добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
  • возможен эффект налипания мазута, что резко сказывается на качества и производительности
  • требуется многократная обработка одного и того же объема жидкости для того, чтобы добиться более-менее однородной эмульсии.
  • - большая дисперсность ВМЭ - 10 микрон

Эти недостатки не компенсируются такими преимуществами как:

  • не содержит быстро изнашиваемых деталей, сальников, узлов вращения, не требуют обслуживания
  • не критичны к температуре и выдерживают большое давление мазута и высокую температуру (до 20 атм. и до 150 град).
  • более дешевые в изготовлении

Устройство некоторых кавитаторов типа Фьюсоник



      Обзорная статья о применении кавитаторов   

 

                                        Обзорная статья о применении кавитаторов

Одна из разновидностей кавитаторов такого типа, это кавитаторы где ультразвуковые колебания в потоке жидкости возбуждаются вибрирующем в потоке с большой частотой телом. 

Обзорная статья о применении кавитаторов

3. Лопастные кавитаторы

Представляют собой трубу в которой протекает жидкость, в жидкости вращается крыльчатка определенного профиля. Кавитация возникает за счет разрежения потока за лопастью. Кавитация более интенсивная по сравнению с кавитаторами типа ФЬЮСОНИК за счет многократности возникновения кавитации в единице объема.

- добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
- кавитация возникает не во всем объеме, жидкости

Обзорная статья о применении кавитаторов

4. Сирены гидродинамические

Представляют собой корпус с установленными в нем входным и выходным патрубками, в корпусе установлены концентрические ротор и статор с выполненными в них окнами. За счет того, что окна в статоре периодически открываются и закрываются происходит периодическое прерывание ВСЕГО потока жидкости, количество и размер окон подобраны таким образом, что происходит обработка ВСЕЙ жидкости.

Недостаток таких кавитаторов:
- абразивный износ рабочих поверхностей ротора и статора, в следствии чего требуется периодическая их замена,
- Невозможность технологически выполнить зазор между ротором и статором менее 0,1 мм.
Принцип работы рассмотрен ниже на примере нашего кавитатора.

5. Наши кавитаторы – дальнейшее развитие Гидродинамических сирен

Главная отличительная черта наших установок это конструкция рабочих частей (статора и ротора).

Обзорная статья о применении кавитаторов


  Конструкция 
других производителей Наша конструкция

Наша конструкция позволяет без проблем выводить износ рабочих частей и регулировать зазор между статором и ротором без демонтажа установки.
Другие конструкции не позволяют ликвидировать износ в зазоре. Приходится менять сразу пару статор и ротор, что очень дорого и требует много времени.
Уплотнительный узел на наших установках кардинально отличается от других конструкций.

Регулировка зазора ∆ между статором и ротором.

От величины зазора ∆ между статором и ротором зависит интенсивность кавитационных процессов возникающих в каналах статора. В идеале, этого зазора не должно вообще существовать, чтобы не допустить перетеканий в зазоре.
Во время работы аппарата происходит изменение температуры рабочих частей и вала, что ведет к изменению величины зазора, что в свою очередь может привести к затиранию статора и ротора.
Данная конструкция позволяет оперативно производить регулировку зазора непосредственно на разогретой в процессе работы установке, и настраивать минимальный зазор.
1. Статор
2. Ротор
3. Корпус излучателя
4. Крышка корпуса
5. Корпус неподвижный
6. Корпус подвижный
7. Вал
8. Подшипник

Обзорная статья о применении кавитаторов

  Регулировка зазора производится за счет перемещения подвижного корпуса в неподвижном по посадочным поверхностям посредством резьбы, нарезанной в корпусах. 

Принцип работы.
Обзорная статья о применении кавитаторов
Поток жидкости при обработке проходит через вращающийся ротор и неподвижный статор установки.
Ротор, выполняет роль затвора, периодически прерывая поток, чем меньше зазор между ротором и статором, тем более герметичен затвор, интенсивнее обработка.
Основные процессы происходят в статоре.
Рассмотрим на примере изображений.





Обзорная статья о применении кавитаторов1. При совпадении окон ротора и статора поток движется через них с определенной скоростью. Скорость зависит от начального давления перед ротором (давления насоса).
2. При перекрытии ротором окна статора.
Происходит резкий разрыв потока. Но т.к. жидкость обладает массой то она не останавливается мгновенно, она продолжает свое движение растягиваясь. За счет этого снижается давление внутри ее. Происходит вскипание растворенных внутри жидкости газов и образование т.н. кавитационной полости. В определенный момент силы инерции жидкости сравниваются с результирующей силой атмосферного давления и силой разряжения внутри кавитационной полости


а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, в – равновесие

Обзорная статья о применении кавитаторов

 

  3. За точкой равновесия начинает происходить следующие процессы:
Сила инерции уменьшается до 0 (за счет торможения жидкости разрежением в кавитационной полости) и т.к. нет дополнительного подпора, то отрицательное давление внутри полости начинает превышать результирующую силу и происходит процесс схлопывания кавитационной полости (пузыря). Т.к. жидкость плохо сжимается и плохо растягивается, то при прекращении действия внешних сил (сил инерции), процесс схлопывания происходит очень интенсивно.

Обзорная статья о применении кавитаторов


4. В момент завершения процесса схлопывания кавитационной полости происходит очередное совпадение окон ротора и статора и в полость ротора поступает очередная порция жидкости, тем самым в некоторой степени увеличивая скорость схлопывания. Дополнительно, в момент окончательного закрытия кавитационной полости встречаются 2 фронта жидкости: фронт схлопывания кавитационной полости и фронт движущейся жидкости, происходит гидроудар, дополнительно усиливающий интенсивность обработки.
а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г - гидроудар.



Во время приготовления эмульсии вода разбивается на капли размером 1-3 мкм, капли воды равномерно распределяются по всему объему топлива и становятся диполем. На этот диполь происходит налипание фрагментов углеводородных молекул и образуются мицеллы (шарик с каплей воды внутри). Именно наличие мицелл и объясняет стойкость эмульсии к расслоению. Капли воды не соединяются в более крупные из за наличия углеводородной оболочки, а оболочка не сходит с капли из за наличия в ней заряда.
В момент впрыска такой эмульсии в зону горения происходит следующее:
Мицелла попавшая в зону горения начинает нагреваться, температуры кипения воды и мазута существенно отличаются (воды 100 0С мазута порядка 300 0С), вода резко вскипает, мазут в это время остается пока еще в жидком состоянии и препятствует испарению капель воды. При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (водяной пар разрывает свою оболочку и распыляет ее). Происходит многократное увеличение площади соприкосновения топлива с кислородом воздуха, это приводит к тому же эффекту что и распыление топлива при давлении на форсунках в 150-300 кг/см2. Вот и весь секрет процесса, вся экономия происходит только за счет более полного сгорания исходного мазута. И чем хуже настроен котел, чем хуже исходное топливо, тем больше получается экономия. И это не означает, что если в эмульсии содержание воды будет 10 %, то это прямо пропорционально ведет к экономии топлива в 10 %. В зависимости от множества факторов этот экономический эффект может составить 8-9 % и 18-20 % и 24-34 %. Эти данные из многолетнего опыта внедрения наших установок. Мы гарантируем экономию топлива 7-8 %, но это не значит, что она не может составить и 15 и 18 и 25 %. Еще раз повторюсь она зависит от множества факторов (настройки котла, горелок, качества исходного топлива, его калорийности и обводненности, температуры). Но одно могу сказать точно, эмульсия с содержанием даже 40 % воды будет гореть, что совершенно невозможно, в том случае, если вода будет просто водой составе топлива.
Кроме того во время горения эмульсии снижается температура отходящих газов (без снижения температуры в топке и производительности котла), это говорит об увеличении КПД самого котла.