СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Номер документа 7820150070

РУБРИКА:
18. Технологии

РУБРИКА ГРНТИ:
55.42. Двигателестроение

АТРИБУТЫ:
Отрасли: Энергетическое машиностроение и оборудование; Нефтегазовая
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Патент
Номер: 2562505
Автор (принявший орган): 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, ФГАОУ ВО "СПбПУ", тел.: (812) 552 60 80, отдел интеллектуальной собственности
Дата: 22.09.2015
Регион: Санкт-Петербург
Источник информации: www1.fips.ru

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к способам и устройствам для обработки различных видов жидкого углеводородного топлива перед его сжиганием и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных энергетических установках, например в горелках котельных и электростанций и других. По данному способу повышения эффективности сгорания углеводородного топлива изменяют частоту переменного низковольтного (10-600 В) напряжения на электродах и выбирают частоту создаваемого в топливе поперечного к потоку топлива однородного электрического поля, при которой диэлектрические потери в углеводородном топливе максимальны и тангенс угла диэлектрических потерь tg также будет максимальным. При этом выбирают частоту переменного электрического поля, обратную времени релаксации возбужденных электрическим полем молекул в топливе, и обрабатывают углеводородное топливо электрическим полем перед его подачей в форсунку. Техническим результатом является улучшение параметров каплеобразования на выходе топливной форсунки, получение мелкодисперсной топливовоздушной смеси, интенсификация процессов горения топливовоздушной смеси, снижение уровня токсичности выходных продуктов горения, повышение экономичности потребления топлива. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 2 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к авиастроению, машиностроению, судостроению, в частности к способам и устройствам для обработки различных видов жидкого углеводородного топлива перед его сжиганием и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных энергетических установках, например в горелках котельных и электростанций и других.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение параметров каплеобразования на выходе топливной форсунки, получение мелкодисперсной топливовоздушной смеси, интенсификация процессов горения топливовоздушной смеси, что приведет к более полному ее сгоранию и к снижению уровня токсичности выходных продуктов горения, повышению экономичности потребления топлива при обеспечении требуемой мощности двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что изменяют частоту переменного низковольтного (10-600 В) напряжения на электродах, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tg в углеродном топливе и выбирают частоту переменного электрического поля, при которой tg и диэлектрические потери в углеводородном топливе будут максимальны. При этом обрабатывают углеводородное топливо однородным электрическим полем перед его подачей в форсунку, которое (поле) создают в топливе поперечно к направлению потока топлива.

В основу предлагаемого способа положены следующие физико-химические явления. Углеводородное топливо состоит из ряда компонентов, в частности, в его химический состав входит декан. Имеющиеся в литературе результаты исследований показывают, что после воздействия на декан слабого переменного электрического поля концентрация декана уменьшается почти вдвое, а через сутки после прекращения действия поля - еще почти вдвое. Под воздействием переменного электрического поля и после его воздействия декан может дать три дочерних продукта: тетрагидрометилфуран, метилпентан и изометилпентан, которые под воздействием на них переменного электрического поля также подвергаются деструкции, продуктами которой при сохранении атомарного состава должны быть этилен С2Н4 и пропилен С3Н6 . Продукты с углеродным скелетом С26, обладают большей теплотой сгорания, чем исходная молекула декана с углеродным скелетом С10. При деструкции молекулы декана С10Н22 с образованием двух молекул тетрагидрометилфурана С5Н10 должны образовываться два свободных атома водорода. Свободный водород может возникнуть также при деструкции метилпентана и изометилпентана. Образование свободного водорода и перенос его вместе с жидким топливом в камеру сгорания ускоряет химическую реакцию окисления. Она протекает быстрее и полнее, так как наличие активных центров в виде атомарного водорода в зоне горения уменьшает среднее значение энергии активации. Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.

На фигуре схематически показана «потенциальная яма» С-С связи в молекуле углеводорода. Как известно, энергетические уровни в «потенциальной яме» квантуются. Механизмом возникновения активных частиц под действием переменного электрического поля является возбуждение колебательных уровней молекул. При возбуждении колебательных уровней С-С и С-Н связи в молекуле не разрываются, но возбужденная молекула становится активной частицей с повышенной реакционной способностью и длительным (исчисляемым часами) временем существования в возбужденном состоянии. Такое время существования активной частицы может объяснить длительность деструкции молекул декана после прекращения действия электрического поля.

Для молекулярной модификации углеводородных топлив не требуется значительная мощность переменного электрического поля. Электрическое поле участвует в деструкции и возбуждении различных маятниковых и валентных колебательных уровней у относительно небольшого числа молекул, превращая их в активные частицы, которые, вступая в химические реакции с исходными молекулами топлива, могут подвергать их деструкции. По мере увеличения энергии переменного электрического поля могут быть последовательно возбуждены вращательные и колебательные уровни. При этом для каждого следующего перехода электрона на вышераспложенный колебательный энергетический уровень требуется относительно небольшая энергия. Таким образом, молекула переходит из стабильного состояния с временем жизни t= в метастабильное состояние и становится активной частицей, способной к самостоятельному размножению за счет химических реакций с исходными молекулами топлива.

При этом находит объяснение кратковременность существования эффекта от воздействия на углеводороды постоянного электрического поля, что имеет место в известных способах повышения эффективности сгорания углеводородных топлив. Это объясняется резонансным характером поглощения энергии молекулами. Поэтому неизменная энергия постоянного поля имеет меньшую вероятность возбуждения у молекул колебательных уровней.

Энергия переменного поля, увеличиваясь дважды за период, непрерывно проходит все значения от нуля до максимума, в том числе и резонансные значения энергии возбуждения колебательных уровней. Под воздействием постоянного электрического поля возбуждаются в основном только вращательные уровни молекул. Поэтому продолжительность эффекта увеличения теплоты сгорания топлива, подвергнутого обработке постоянным электрическим полем, составляет не более 1,5 часов, в то время как воздействие переменного сказывается в течение многих часов после прекращения его действия.

Итак, в результате деструкции молекул топлива под действием слабых переменных электрических полей возникают химические радикалы (активные частицы цепных химических реакций), обладающие большой реакционной способностью. Радикалы, взаимодействуя с молекулами, находящимися в основном состоянии, подвергают их деструкции, усиливая действие переменного электрического поля. Таким образом, для деструкции молекул топлива уже не требуется участия электрического поля, поскольку она обеспечивается цепными химическими реакциями молекул топлива с активными частицами. В свою очередь, возбуждение у молекул маятниковых и валентных колебаний переводит их в длительное метастабильное состояние. В этом состоянии молекулы также становятся активными частицами цепных химических реакций окисления с разветвлением цепей. При сгорании топлива энергия, затрачиваемая на дезинтеграцию возбужденных и подвергшихся деструкции молекул, меньше энергии, затрачиваемой на дезинтеграцию молекул в основном состоянии. Поэтому доля тепловой энергии реакции окисления топлива, превращенной в полезную работу, увеличивается. Таким образом, теплота сгорания углеводородного топлива повышается.

Чем больше концентрация молекул топлива, с которым взаимодействует переменное электрическое поле, тем большая частота поля требуется для эффективной деструкции его молекул. При уменьшении массы молекул для увеличения или поддержания постоянным этого отношения необходимо увеличить частоту генератора электрического поля, которая определяет скорость генерации активных частиц. При молекулярной модификации углеводородного топлива скорость образования радикалов определяется напряженностью и частотой электрического поля. Напряженность поля определяет концентрацию активных частиц, возникающих при каждом импульсе, а частота определяет скорость генерации активных частиц.

Для увеличения эффективности сгорания углеводородных топлив необходимо прежде всего обоснованно выбрать соответствующую частоту переменного низковольтного напряжения при выбранном (заданном) напряжении на электродах. Причем этот выбор должен базироваться на возможности измерения существующими приборами таких физических величин, которые наиболее достоверно характеризуют процессы, происходящие в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля. Такой физической величиной являются диэлектрические потери в топливе при приложении к нему переменного электрического поля, характеризующие возбуждение полем вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива. Они характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь в углеводородном топливе tg . Здесь - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи, образованной источником напряжения и электродами модификатора с размещенным между ними углеводородным топливом. Величина tg является важной измеряемой характеристикой диэлектриков вообще и углеводородных топлив в частности. Чем больше tg , тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектрические потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tg имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03.

Поскольку углеводородное топливо является многокомпонентной химической средой, содержащей примеси, то его можно рассматривать как слабый полярный диэлектрик.

При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации и процессов возбуждения полем вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива.

Величина активной мощности Р, рассеиваемой в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля, равна P=U 2 Ctg , где U - электрическое напряжение на электродах, между которыми находится углеводородное топливо; С - электрическая емкость конденсатора, образованного электродами с находящимся между ними топливом; =2 - круговая частота приложенного к электродам переменного напряжения с частотой в герцах. Следовательно, величина рассеиваемой мощности (диэлектрические потери) зависит от квадрата приложенного напряжения, его частоты, емкости и tg топлива. Емкость С, в свою очередь, зависит от конструктивного исполнения электродной системы модификатора топлива и диэлектрической проницаемости углеводородного топлива, а диэлектрическая проницаемость и tg зависят от типа углеводородного топлива (его химического состава и структуры).

При этом диэлектрические потери, вызванные дипольно-релаксационными потерями и релаксационными потерями при возбуждении вращательных и колебательных энергетических уровней молекул в топливе в переменных электрических полях, характеризуются наличием четкого максимума на частотной зависимости tg , определяемого временем релаксации . Максимальное значение tg в топливе при реализации предложенного способа соответствует такому соотношению между периодом приложенного к топливу переменного напряжения и временем релаксации , при котором наблюдается наибольшая затрата энергии на преодоления диполями топлива сопротивления вязкого трения. В этом случае эффективность воздействия электрического поля на топливо будет максимальной. При этом положению максимума tg , обусловленного дипольно-релаксационными потерями и релаксационными потерями при возбуждении вращательных и колебательных энергетических уровней молекул, на кривых зависимости tg от частоты будет соответствовать круговая частота переменного напряжения на электродах, обратная времени релаксации , то есть =1/ . Последнее не противоречит известному теоретическому положению применительно к изоляционным материалам (см., например, учебное пособие для ВУЗов [Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 223, формула (4.47)]. При этом tg имеет значения ~10~3-10~2 и более.

Пример 1. Проведены стендовые испытания влияния низковольтного (до 400 В) переменного напряжения на коаксиальных электродах, между которыми протекает дизельное топливо, на процессы смесеобразования и сгорания в дизельном двигателе. Стендовые испытания двигателей внутреннего сгорания выполнены в аттестованной уполномоченной лаборатории СДС ГСМ-FLM РОСС. RU. 04ХД.ИЛ 001 Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, уполномоченной производить работы по моторным испытаниям топлив, смазочных масел и автохимии. Испытания выполнялись в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Для анализа получаемых эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного к.п.д., рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров дизельного двигателя, полученных при работе на испытуемом дизельном топливе, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой относительно эталонного. Усреднение проводилось по 20 режимам нагрузочных характеристик. Результаты испытаний дизельного двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1
Усредненные эффекты (%) при пропускании дизельного топлива между коаксиальными электродами, на которые подавалось низковольтное переменное напряжение (до 400 В) с изменяющейся частотой, до его подачи в камеру сгорания дизельного двигателя
Усредненные эффекты, % относительно базы
Расход топлива Эффективный к.п.д. CO CH NOx Дым
С низковольтным переменным напряжением на коаксиальных электродах с изменяющейся частотой -6,2 +6,2 -5,4 -6,8 +5,3 -24,0

Пример 2. Аналогичные испытания были проведены на бензиновом двигателе с впрыском топлива типа ВАЗ-2111. Для анализа полученных эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного к.п.д., токсичности отдельно по компонентам СО, СН, NOx, рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров двигателя, полученных при работе на испытуемом бензине А-95, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой относительно эталонного.

Усреднение проводилось по 27 режимам нагрузочных и внешней скоростной характеристик.

Таблица 2
Усредненные эффекты (%) при пропускании бензина АИ-95 между коаксиальными электродами, на которые подавалось низковольтное переменное напряжение (до 400 В) с изменяющейся частотой, до его подачи на форсунку во впрысковом двигателе ВА3-2111
Усредненные эффекты, % относительно базы
Расход топлива Эффективный к.п.д. CO CH NOx
С низковольтным переменным напряжением на коаксиальных электродах с изменяющейся частотой -6,6 +5,8 -3,3 -11,5 +4,2

Результаты расчета показателей качества сгорания топливовоздушной смеси, замеренных и рассчитанных по итогам испытаний, сведены в таблицу 2.

В таблице 1 и таблице 2 знак «минус» означает снижение соответствующего показателя (в процентах) при воздействии на поток углеводородного топлива поперечного к потоку переменного электрического поля с изменяющейся частотой по сравнению с исходным необработанным электрическим полем топливом, а знак «плюс» - увеличение показателя.

Таким образом, экспериментально подтверждено увеличение эффективности сгорания углеводородного топлива при приложении к потоку топлива поперечного переменного электрического поля с изменяющейся частотой для достижения максимального тангенса угла диэлектрических потерь tg подачей низковольтного переменного напряжения на электроды с изменяющейся частотой.