ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
FUEL COMPOSITION

Изобретение относится к топливным композициям на основе углеводородного топлива, которая может быть использована в авиамоторостроении и энергетике при проектировании широкодиапазонных воздушно-реактивных двигателей и компактных размеров двигательных установок в авиации, транспорте, а также при разработке энергетических установок.
Известна топливная композиция на основе топочного мазута с добавлением углеводородсодержащего компонента, в качестве которого композиция содержит продукты пиролиза углеводородов со среднеобъемной температурой кипения 260-290°C, коксуемостью 8-12% при следующем соотношении компонентов, масс.%: продукты пиролиза углеводородов со среднеобъемной температурой кипения 260-290°C, коксуемостью 8-12% - 5-60; топочный мазут - до 100 [1].
Эта топливная композиция предназначена исключительно для использования в качестве котельного топлива и ее не представляется возможным применить в качестве топлива для современных реактивных двигателей и других энергетических установок из-за большого времени (длины) задержки воспламенения и низкой устойчивости горения пламени.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является топливная композиция, содержащая в качестве основы углеводородное топливо, компоненты, возникающие при высоковольтном электрическом разряде, дополнительные углеродсодержащие присадки и дисперсную фазу [2].
Недостатком данной топливной композиции является то, что, несмотря на квизиобъемный поджиг, осуществляемый электрическим разрядом, время (длина) задержки воспламенения велико из-за отсутствия эффекта «горячих очагов» и объемного поджига, способствующих значительному уменьшению этой характеристики топлива.
Заявитель ставил перед собой задачу разработки топливной композиции на основе углеводородного топлива с таким его составом, который позволил бы резко уменьшить время (длину) задержки воспламенения и повысить устойчивость горения пламени. Указанный технический положительный результат был достигнут за счет новой совокупности существенных признаков предлагаемой топливной композиции, изложенной в нижеприведенной формуле изобретения: «топливная композиция, содержащая в качестве основы углеводородное топливо, компоненты, возникающие при высоковольтном электрическом разряде, дополнительные углеродсодержащие присадки и дисперсную фазу, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащих присадок композиция включает наночастицы в виде углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом ацетилена на нанокластерах железа или кобальта в матрице из оксида алюминия и имеющих структуру переплетенных клубков диаметром более 2 мкм со средним внешним диаметром ~20-30 нм, или наночастицы в виде графена, имеющего слоистую структуру с размером зерен ~400 нм и полученного химическим способом, заключающимся в окислении слоев графита с последующим восстановлением и получением нанометровых слоев углеродного продукта, а дисперсная фаза состоит из пузырьков газа, при следующем соотношении компонентов, входящих в топливную композицию:
Углеводородное топливо
100 г
Углеродные нанотрубки
0,5 г
Графен
0,5 г
Дисперсная фаза
Остальное
в качестве углеводородного топлива применен авиационный керосин; в качестве дисперсной фазы использованы пузырьки воздуха; компонентами композиции, возникающими при высоковольтном электрическом разряде являются ионы, или электроны, или радикалы.
Заявляемая топливная композиция содержит в качестве основы углеводородное топливо, например авиационный керосин, дополнительные углеродные присадки, компоненты, возникающие при высоковольтном электрическом разряде, например ионы, или электроны, или радикалы, и дисперсную фазу в виде пузырьков газа, например пузырьков воздуха. В качестве углеродсодержащего компонента в композицию добавлены присадки наночастиц углерода. Эти присадки наночастиц углерода представлены в виде углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом ацетилена на нанокластерах железа или кобальта в матрице из оксида алюминия и имеющих структуру переплетенных клубков диаметром более 2 мкм со средним внешним диаметром ~20-30 нм. Кроме того, наночастицы углерода выполнялись в виде графена, имеющего слоистую структуру с размером зерен ~400 нм и полученного химическим способом, заключающимся в окислении слоев графита с последующим восстановлением и получением нанометровых слоев углеродного продукта. В предложенной топливной композиции выбирались следующие соотношения входящих в нее компонентов: авиационный керосин - 100 г; углеродные нанотрубки - 0,5 г; графен - 0,5 г, остальное дисперсная фаза в виде пузырьков воздуха.
Такой состав топливной композиции позволяет значительно уменьшить время (длину) задержки воспламенения топлива и повысить устойчивость горения пламени. Последнее обусловлено тем, что квизиобъемный поджиг топлива в данном варианте осуществляется электрическим разрядом высокого напряжения (амплитуда 60 кВ, частота 400 Гц), при котором электроны (ионы, радикалы) производятся в большом объеме, и благодаря их интенсивной подвижности они оседают на наночастицах. Вследствие малого размера наночастиц возникают локальные электрические поля высокой напряженности, зажигаются коронные разряды вокруг наночастиц и реализуются многочисленные локальные пробои. Все это приводит к тому, что поджиг распыленного топлива производится в огромном объеме, а это согласно критерию «Франк-Каменецкого» обеспечивает гарантированный поджиг топлива и стабилизацию пламени даже при больших, в том числе сверхзвуковых, скоростях топливно-воздушной смеси.
Поджиг топливной композиции (композитного топлива) осуществляется специальным устройством посредством высоковольтного электрического дугового разряда, при этом, так как топливо с наночастицами не может храниться длительное время, смесеобразование предполагается выполнять прямо на борту летательного аппарата или непосредственно в энергетическом устройстве.
На трех следующих фотографиях представлены варианты поджига топливной композиции: фото №1 - топливная композиция только на кросине; фото №2 - топливная композиция на керосине плюс присадки в виде углеродных нанотрубок; фото №3 - топливная композиция на керосине плюс присадки в виде графена.
В ИПРИМ РАН разработаны способ изготовления заявленного состава композитного топлива, устройство для его сжигания, а также успешно проходят испытания этих технических решений и исследования процессов поджига и стабилизации горения различных вариантов композитных топлив электрическим дуговым разрядом.
Источники информации
1. Описание изобретения к патенту РФ №2108369 «Топливная композиция», C10L 1/04, заявлено 08.07.1996, опубликовано 10.04.1998.
2. «Экспериментальное исследование процессов по джига и стабилизации горения жидких углеводородных топлив электрическим дуговым разрядом» // Прикладная физика 2011 //, №4, стр.36-41.
3. Описание изобретения к патенту РФ №2241024 «Композиция для получения углеводородного топлива, C10L 1/32, заявлено 09.12.2002, опубликовано 27.11.2004.
4. Описание изобретения к патенту РФ №2411287 «Топливная композиция и способ ее получения (Два варианта)», C10L 1/32, заявлено 05.02.2010, опубликовано 10.02.2011.
5. Описание изобретения к патенту РФ №2365618 «Водно-топливная эмульсия», C10L 1/32, заявлено 26.01.2007, опубликовано 27.08.2009.
6. Описание изобретения к патенту РФ №2278892 «Композиция водно-топливной эмульсии», C10L 1/32, заявлено 19.04.2005, опубликовано 27.06.2006.
7. Патент США №5372613 «Fuel compositions)), 44-301 (C10L 1/32), опубликован 13.12.1994 г.
8. Патент США №4477258 «Diesel fuel compositions and process for their production)), C10L 1/32, опубликован 16.10.1984 г.
9. Описание изобретения к патенту РФ №2122567 «Топливная композиция», C10L 1/04, заявлено 27.04.1995, опубликовано 27.11.1998.