ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Вихревые технологии и устройства для подготовки и подачи распыленного топлива для тепловых двигателей и установок

Рекомендуемая область пременения

в проектах модернизации существующих и создания новых типов двигателей внутреннего сгорания, энергетических и тепловых установок;
в документах по разработке программ снижения экологической опасности от использования двигателей внутреннего сгорания, энергетических и тепловых установок;
в устройствах подготовки и подачи топливной смеси для питания тепловых установок: двигателей внутреннего сгорания для силовых и энергетических установок различных видов, тепловых установок, применяющихся для отопления помещений и теплоснабжения технологического оборудования.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка методов управления процессами образования горючей смеси и ее подачи в камеры сгорания с использованием вихревых термодинамических диспергаторов-распылителей жидких и порошкообразных материалов.

Проект предполагает разработку ресурсосберегающей технологии и устройств для приготовления мелкодисперсной воздушно-жидкостной аэрозоли топлива и ее подачи в камеры сгорания с использованием вихревых термодинамических диспергаторов-распылителей.

Целью проекта является отработка технологии диспергирования в воздухе разнородных видов жидкого топлива с целью приготовления, топливной смеси, состав и структура которой обеспечит ее полное и эффективное сгорание.

Задачи проекта – разработка конструкций вихревых термодинамических диспергаторов-распылителей и их внедрение в существующие устройства подготовки и подачи топливной смеси для питания тепловых установок: двигателей внутреннего сгорания для силовых и энергетических установок различных видов, тепловых установок, применяющихся для отопления помещений и теплоснабжения технологического оборудования, с целью:

 повысить КПД различных типов тепловых двигателей и установок  на 5–10 %,

снизить расхода топлива на 5 – 10 %.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В качестве приводов энергетических и силовых установок чаще всего используются двигатели внутреннего сгорания, работающие, как правило, на жидком органическом топливе. Тепловые установки, применяемые для отопления производственных, общественных и жилых объектов используют жидкие, газообразные и твердые виды органического топлива. На долю транспорта приходится 1/3 доля вредных выбросов в атмосферу, создаваемых в результате деятельности человека.

По прогнозам зарубежных аналитиков со ссылкой на данные ОПЕК мировые запасы нефти могут обеспечить потребности населения Земли на 10…20 лет, газа на 80…100 лет. Основными потребителями нефтепродуктов в настоящее время являются наземные транспортные средства и они же наиболее приспособлены к переходу на альтернативные виды топлива.В связи с этим в ближайшем будущем встанет проблема перевода тепловых двигателей силовых и энергетических установок на альтернативные виды топлива, в качестве которых могут использоваться и гибридные виды топлива: «газ - жидкость», «газ - твердое топливо», что потребует разработки принципиально новых систем питания.

Существующие тепловые двигатели энергетических установок различного назначения, двигатели внутреннего сгорания автомобильной и тракторной техники и др. используют традиционные схемы образования и сжигания топливной смеси. Эффективность их работы в значительной мере зависит от климатических условий эксплуатации (высокогорье, высокая температура воздуха и др.). В качестве технических причин недостаточно эффективного использования возможностей тепловых двигателей можно назвать:

использование традиционных систем питания, практически исключающих возможность количественного регулирования качества топливовоздушной смеси в зависимости от условий и параметров работы теплового двигателя;

использование схем сжигания жидких, газообразных и твердых топлив, исключающих возможность управления процессами горения.

Как правило, эти установки имеют относительно невысокие КПД (20…45%) и обеспечивают полноту сгорания топлива (75…95%), создают существенную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Для современных тепловых двигателей характерно неполное сгорание топлива в связи с неудовлетворительной организацией процессов подготовки компонент топлива, организации смесеобразования и подачи топливной смеси в камеру сгорания, что существенно снижает эффективность работы всей установки. Отдельные элементы систем питания тепловых двигателей и тепловых установок (горелочные устройства, форсунки, карбюраторы, камеры сгорания и т. д.) работают, как правило, на режимах далёких от оптимальных.

Теория процессов в тепловых установках и двигателях построена на классических представлениях газодинамики струйных течений и химических процессов, рассматриваемых в стационарной постановке. На сегодняшний день, используя традиционные подходы, существенно улучшить ТТХ тепловых установок и двигателей практически невозможно.

В ряде работ делаются попытки использования ультразвуковых и пьезоэлектрических диспергаторов для распыления жидких видов топлива. Данные типы диспергаторов обеспечивают образование капель жидкости размером до 1 мкм, однако для их работы требуется весьма сложные электронные и механические устройства.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Коллектив потенциальных исполнителей предлагаемой НИР на протяжении многих лет проводит фундаментальные и прикладные исследования в области исследования тепло- и массообменных процессов в вихревых жидкостно-газовых потоках с целью их применения в различных отраслях народного хозяйства. В последнее время особое внимание уделяется исследованиям методов и способов управления и оптимизации параметров перечисленных выше процессов. Выполненные в Пензенском государственном университете исследования гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в вихревых двухфазных жидкостно-газовых потоках выявили возможность управления последними. Полученные к настоящему времени результаты могут быть использованы для развития и совершенствования систем питания силовых, энергетических и тепловых установок, работающих с использованием органических топлив как для мобильных, так и стационарных объектов.

Термодинамический диспергатор состоит из двух частей: диспергатора-распылителя и вихревой трубы, соединенных между собой и работающих в рамках единого вихревого процесса. Первая ступень термодинамического диспергатора представляет собой вихревую трубу. Сжатый воздух подается в вихревую через улитку специального профиля, которая формирует вихревой поток, движущийся по внутренней поверхности вихревой трубы по спиралевидной траектории. При этом в осевой зоне вихревой трубы формируется второй вихревой поток, движущийся навстречу периферийному. В результате интенсивного взаимодействия двух вихревых потоков воздуха (периферийного и осевого) происходит нагрев периферийного потока и охлаждение осевого. Проведенные разработчиком предварительные испытания вихревой трубы показали, что в вихревых потоках, выходящих из вихревой трубы, кроме температуры изменяется соотношение компонентов воздуха: кислорода и азота. В холодном потоке содержание кислорода увеличивается до 24-25%, что позволяет использовать его для образования топливной смеси с большей эффективностью, чем атмосферный воздух.

Вторая ступень термодинамического диспергатора представляет собой вихревой диспергатор-распылитель. Нагретый или охлажденный в вихревой трубе воздух под давлением подается в вихревую камеру диспергатора-распылителя через улитку специального профиля, при этом в осевой зоне вихревой камеры создается разрежение, за счет которого в камеру эжектируется жидкость или порошок. Вихревые потоки диспергируют жидкость или порошок и распыляют через боковое отверстие вихревой камеры.

Отличительной особенностью устройства является то, что диспергирование и распыление материалов производится вихревыми потоками воздуха различной температуры и с различным соотношением компонентов воздуха. Сочетание потока воздуха требуемой температуры и улучшенного состава с мелко распыленным топливом (жидким, порошкообразным или комбинированным) позволяет использовать разработанное устройство для подготовки топлива и воздуха, смесеобразования и подачи горючей смеси в камеры сгорания силовых, энергетических и тепловых установок мобильных и стационарных объектов. В результате предварительных испытаний, проведенных разработчиком, установлено, что диспергатор распыляет жидкости различной вязкости (нефть, минеральные масла, дизельное топливо, бензин, воду и жидкое стекло,), эмульсии, а также порошкообразные материалы.

Конструкция вихревой трубы и диспергатора-распылителя весьма проста, не имеет подвижных элементов, чрезвычайно надежна в работе.

Одно из направлений исследований и совершенствования вихревых диспергаторов-распылителей жидких и порошкообразных сред преследует цели совершенствования систем подготовки и подачи топливной смеси в камеры сгорания тепловых двигателей для повышения их тактико-технических характеристик. Особое значение эти исследования имеют при разработке и проектировании оптимальных конструкций блока подготовки топлива и воздуха, блока смесеобразования, блока подачи горючей смеси в камеры сгорания тепловых двигателей. Разработки могут быть использованы при совершенствовании существующих и создании новых образцов силовых, энергетических и тепловых установок, работающих с использованием органических топлив.

Термодинамический диспергатор обеспечивает мелкодисперсное распыление жидкого топлива с высокой степенью однородности размеров капель (60…70%). Процесс диспергирования жидкости в вихревых потоках подогретого воздуха и стадия распыления сопровождаются интенсивным испарением с поверхности капель. Чем меньше размер капель топлива тем больше суммарная поверхность капель. Размер капель топлива около 2…3 мкм в сочетании с паровой фракцией жидкого топлива обеспечит быстрое и одновременное воспламенение всего объема топливной смеси, и эффективное безотходное горение.

Применение термодинамического диспергатора позволит регулировать температуру отдельных компонентов топливной смеси, обеспечит образование топливной смеси однородного состава при ее подаче в камеру сгорания. Эти методы позволят обеспечить повышение эффективности существующих тепловых двигателей при их модернизации и предложить новые решения при создании следующего поколения тепловых двигателей силовых и энергетических установок.

Современный уровень знаний в области вихревых течений двухфазных газожидкостных смесей и в смежных областях науки, а также полученная в последнее время информация о возможности разделения в вихревой трубе газовых смесей, позволяют разработать усовершенствованные физико-математические модели, учитывающие взаимное влияние дисперсности топлива, соотношения его компонентов, температуры, химической кинетики на параметры процессов горения.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Устройство характеризуется простотой конструкции и безотказностью в работе; возможностью дозированного мелкодисперсного распыления жидкостей, в том числе и разнородных. Для работы устройства необходим только сжатый воздух давлением до 0,4 МПа.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Применение вихревого термодинамического диспергатора-распылителя позволит:

повысить КПД различных типов тепловых двигателей и установок на 5–10 %,

снизить расхода топлива на 5 – 10 %.

Новые потребительские свойства продукции

возможность диспергирования и распыления жидкостей с различными физико-химическими свойствами;
возможность раздельного регулирования температуры компонентов топлива;
однородный по размерам состав распыляемого топлива обеспечит его полное сгорание;
комплексное улучшение качества топливной смеси обеспечит повышение мощности двигателей внутреннего сгорания;
снизится экологическая нагрузка на окружающую среду;
широкая область применения;
простота конструкции и надежность в эксплуатации;
цена ниже, чем у аналогов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Изделие может изготавливаться из любых видов конструкционных металлов, преимущественно из стали. В зависимости от вида и состава распыляемой жидкости, температурного режима работы и других условий могут применяться стали соответствующего состава (коррзионно- и температуро-стойкие). В качестве источника сжатого воздуха могут использоваться стационарные или автономные компрессоры с устройствами регулирования давления сжатого воздуха.

Стадия и уровень разработки

В Пензенском государственном университете Министерства образования и науки Российской Федерации на кафедре «Транспортно-технологические машины и оборудование» под руководством д.т.н., профессора Курносова Н.Е. разработаны и испытаны в лабораторных условиях вихревая труба и вихревой термодинамический диспергатор жидких и порошкообразных материалов.
Предварительные испытания термодинамического диспергатора проведены в исследовательской лаборатории «Вихревые процессы и технологии» Института транспорта Пензенского государственного университета. Испытания показали, что предлагаемое изделие обеспечивает мелкодисперсное распыление жидкости и снижение температуры воздуха на 20-30оС. При диспергировании воды сжатым воздухом давлением 0,2 МПа размер частиц распыляемой жидкости находится в пределах до 20 мкм, при полете в воздухе они быстро уменьшаются в размерах (до 3 и менее мкм) за счет быстрого испарения. Степень дисперсности и размер капель распыляемой жидкости зависит от свойств жидкости и давления воздуха на входе вихревой камеры. Основные параметры диспергаторов-распылителей, полученные в результате предварительных исследований приведены в таблице в разделе "Описание предлагаемого процесса".

Предлагаемые инвестиции

Требуются партнеры и инвесторы для проведения дальнейших исследований, проведения сертификации, международного патентования разработанной продукции, организации и лицензирования совместного предприятия.
Форма инвестиций: контракты на выполнение НИОКР, организация совместных НИОКР, организация совместного предприятия. Инвестиции на завершение НИОКР, на маркетинговые исследования рынка и расширение номенклатуры изделий с использованием вихревого термодинамического диспергатора-распылителя, на сертификацию изделий и рекламную кампанию с целью расширение рынка сбыта. Объем инвестиций 3,6 млн. рублей сроком на три года.
Оплата труда 1356 тыс. руб.
Начисления на ФОТ 426,6 тыс. руб.
Накладные расходы 440,8 тыс. руб.
Командировочные 26,6 тыс. руб.
Соисполнитель 1350 тыс. руб.
Цена, 3600 тыс. руб.

Рынки сбыта

Основными потребителями технологии и устройств подготовки и подачи топливной смеси для тепловых двигателей могут стать предприятия разработчики и изготовители двигателей внутреннего сгорания, тепловых установок, работающих на органических видах жидкого топлива.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и технологий.

Возможность выхода на мировой рынок

Имеется, т.к. на международном рынке отсутствуют конкурентоспособные изделия. Мировых аналогов устройство не имеет. Ближайшими прототипами являются гидравлические распылители-форсунки.

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

26.10.2006