УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПЕРЕД ПРОЦЕССОМ СЖИГАНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Полезная модель относится к области энергетики, в частности к активаторам (модификаторам) углеводородного топлива, позволяющим увеличивать энергоэффективность его использования с помощью переменного электрического поля.
Активация топлива выполняется с целью повышения теплоты его сгорания, что приводит к снижению расхода топлива на выполнение той же механической работы, т.е. повышению экономичности энергетических установок. Также активация приводит к повышению качества сгорания, которое выражается в снижении концентрации почти всех вредных веществ в отработавших газах. Все это позволяет значительно увеличить межремонтный срок службы энергетических установок.
Известны различные технические решения в данной области. Например, известен патент РФ на полезную модель №103139, дата приоритета 05.10.2010 г. «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТИВАТОР ТОПЛИВА». Технический результат известной полезной модели состоит в усовершенствовании известного активатора топлива, за счет чего обеспечивается экономия топлива и улучшение экологической чистоты теплоэнергетических устройств, снабженных данным топливным активатором. Указанный технический результат в известном активаторе топлива, содержащем диэлектрический корпус, полые входной и выходной топливные штуцеры, два металлических электрода, источник электрического поля, присоединенный к данным электродам, достигается тем, что в качестве этих электродов использованы сами металлические штуцеры, размещенные внутри корпуса с фиксированным зазором между их торцами, причем корпус активатора и источник электрического поля размещены в общем корпусе.
Недостатком известной полезной модели является малая площадь электродов, которая недостаточна для эффективного воздействия электрического поля на углеводородное топливо. Также известное устройство не обеспечивает эффективное преобразование топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Известен также патент РФ на полезную модель №140194, дата приоритета 23.11.2012 г. «МАГНИТО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТИВАТОР ТОПЛИВА».
Технический результат данной полезной модели состоит в повышении экономичности и улучшение экологической чистоты теплоэнергетических устройств, снабженных данным топливным активатором. Решение указанных задач достигнуто за счет того, что магнитоэлектрический активатор топлива, содержащий диэлектрический корпус, входной и выходной топливные металлические штуцеры, состоящие из внешних и внутренних полых цилиндров, вставленные в корпус, электрод и блок высокого напряжения, электрически присоединенный по выходу к данному электроду, диэлектрический корпус выполнен цилиндрическим к нему присоединен тройниковый отвод, причем тройниковый отвод корпуса механически заглушен электродом, который электрически соединен с полым металлическим перфорированным цилиндром, размещенным концентрично и внутри корпуса активатора, диэлектрический корпус покрыт металлизированным покрытием электрически соединенным с корпусом автомобиля, снаружи тройникового отвода размещен электронный блок высокого напряжения, электрически присоединенный по входу к аккумуляторной батарее, а по выходу к полому металлическому перфорированному цилиндру через электрод в данном тройниковом отводе, второй электрический потенциал этого блока высокого напряжения заземлен на корпус автомобиля и на металлизированное покрытие, причем активатор снабжен также двумя кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью, плотно размещенными на внешних полых цилиндрах металлических топливных штуцеров. Недостатками известного технического решения являются:
- значительные затраты энергии от внешних источников, поскольку молекулы углеводородов обладают очень малыми значениями дипольных магнитных моментов, поэтому могут эффективно взаимодействовать только с очень сильными магнитными полями,
- недостаточная площадь поверхности электродов в связи с использованием перфорация, что уменьшает мощность электрического поля, а следовательно, и эффект его взаимодействия с молекулами углеводородов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является изобретение РФ №2614562, приоритет от 20.05.2015 «УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ГРУППОВОГО И ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ВАРИАНТЫ)». Данное изобретение принято за прототип.
Известное устройство содержит корпус 1 с расположенными в нем электродами 4, подключенными к источнику переменного напряжения. Частота переменного электрического поля, физические характеристики топлива и геометрические размеры устройства обработки устанавливаются в соответствии с выражением:
,
эф
Aв
Ав
0
3
-1
-1
-1
3
3
где: f - частота колебания электрического поля - 1/с, β=(w/k)Nρ/M -глубина модификации топлива - 1/м, w - скорость цепной химической реакции - с, k- скорость гибели радикалов в реакциях обрыва цепи - с, N - число Авогадро - моль, ρ - плотность топлива - кг/м, V - объем обрабатываемого топлива - м, М - молярная масса топлива - кг/кмоль, U - амплитуда напряжения на электродах устройства обработки - В, εa=εε - абсолютная диэлектрическая проницаемость топлива, 1,  - длина электродов камеры обработки - м, t - время обработки топлива - с. С помощью предложенного устройства достигается улучшение качества топлива, повышение теплоты и полноты его сгорания.
В соответствии с описанием прототипа, корпус устройства имеет в сечении круглую или трапециевидную форму, в камере обработки топлива может быть установлены одна и более пар электродов, электроды в корпусе могут быть установлены или вдоль потока топлива, или поперек. Электроды могут быть круглой или трапециевидной формы.
Электроды могут быть изготовлены или в виде пластины с отверстиями, или в виде сетки.
Недостатками известного изобретения являются: - при поперечном расположении электродов в камере устройства обработки жидкого углеводородного топлива значительно увеличивается его гидравлическое сопротивление, что при больших расходах топлива может вызвать вибрацию пластин-электродов, изменение зазора между ними и, как следствие изменение электрической емкости и мощности электрического поля в устройстве;
применение плоских пластин-электродов малоэффективно, поскольку для значительного увеличения электрической емкости устройства и мощности электрического поля в нем потребует значительного увеличения размеров устройства обработки топлива (длины или ширины или высоты устройства прямоугольного поперечного сечения);
- подача электрического сигнала на корпус устройства, который является одним из электродов.
Таким образом, технической проблемой существующей в настоящее время является отсутствие эффективных и надежных устройств для подготовки топлива перед сжиганием. Заявляемая полезная модель направлена на решение данной технической проблемы, а именно, на создание такого устройства для обработки жидкого углеводородного топлива, которое бы позволило существенно повысить его эффективность без существенного увеличения геометрических размеров или повышения напряженности и частоты электрического поля. Это достигается за счет увеличения площади электродов активаторов топлива путем изменения их геометрии и геометрии движения топлива в рабочей камере.
Принцип действия таких активаторов заключается в резонансном поглощении молекулами углеводородов энергии электрического поля в рабочей камере активатора, представляющего собой электрический конденсатор. В результате происходит возбуждение молекул, увеличивающее их реакционную способность с кислородом воздуха. При увеличении расхода топлива в энергетической установке увеличивается количество молекул, которые необходимо возбудить в единицу времени. Поэтому, чем больше расход топлива, тем больше должна быть амплитуда мощности электрического поля, определяемая выражением
а
где Р - амплитудная мощность электрического поля, f - частота поля,
- амплитуда импульса переменного электрического поля,
0
0
a
С=εεlh/d - электрическая емкость конденсатора, ε - диэлектрическая проницаемость топлива, ε - диэлектрическая постоянная, 1 - длина электродов, h - ширина электродов, d - зазор между электродами, U - амплитуда напряжения на электродах конденсатора.
0
Из этого выражения следует, что амплитудная мощность переменного электрического поля может быть увеличена повышением частоты поля, либо повышением напряжения на электродах или увеличением электрической емкости конденсатора (С) за счет увеличения площади электродов (lh), поскольку ε и ε являются постоянными.
Увеличение частоты поля приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости углеводородного топлива, что приводит к уменьшению числа возбужденных молекул в единице объема рабочей камеры активатора.
Увеличение напряжения на электродах приводит к уменьшению электрической прочности конденсатора, появлению в ней тока проводимости, уменьшению напряженности электрического поля и уменьшению эффективности активации топлива. Поэтому оба этих способа нежелательны.
Увеличение электрической емкости рабочей камеры активатора не приводит к указанным нежелательным последствиям.
Известно, что электрическая емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости имеющегося в нем диэлектрика (углеводородного топлива) и от площади его обкладок.
Таким образом, при увеличении электрической емкости рабочей камеры можно значительно повысить мощность поля, следовательно, и эффективность всего устройства.
Технический результат заключается в повышении эффективности обработки топлива электрическими полями при относительно невысокой напряженности и частоте электрического поля, что позволяет значительно повысить теплотворность топлива и полноту сгорания.
Достигается технический результат за счет того, что в устройстве обработки жидкого углеводородного топлива перед процессом сжигания в различных энергетических установках, состоящем из корпуса с входным и выходным патрубками, камеры обработки топлива и электродов, которые подключены к источнику переменного электрического напряжения, предлагается камеру обработки топлива выполнить из диэлектрического материала, состоящей из двух секций, разделенных диэлектрической перегородкой по продольной оси камеры с образованием около задней торцевой стенки камеры канала для движения топлива. В каждой из секций размещается сборка из двух пакетов гофрированных электродов, выполненных из плоских стальных листов расположенных параллельно в продольном направлении движения топлива так, что электроды одного пакета чередуются с электродами другого пакета, причем патрубки расположены так, чтобы топливо поступает в одну секцию, а выходит из другой.
Дополнительным отличием предлагаемого устройства является то, что угол изгиба электродов равен 60°.
Еще одним дополнительным отличием является то, что частота прикладываемого электрического поля зависит от расхода топлива в энергетической установке и определяется по формуле:
Aв
0
где: ƒэф - эффективная частота поля, d - зазор между пластинами, β - требуемая глубина модификации, N - число Авогадро, ρ - плотность топлива, Евозб - энергия возбуждения молекул углеводородов, G - расход топлива, М - молярная масса топлива, U - напряжение на электродах, ε - диэлектрическая проницаемость топлива, ε -диэлектрическая постоянная,
n - число пластин в сборке,  - длина пластин, h - ширина пластин.
Таким образом, размеры устройств варьируются в зависимости от расхода топлива в энергетических установках, для которых они предназначаются. Однако эти размеры существенно меньше, чем у прототипа.
На каждую сборку подается переменное электрическое напряжение от 50 вольт до 500 вольт и частотой от 500 герц до 5000 герц в зависимости от мощности энергетической установки. Топливо через входной патрубок поступает в одну из секций камеры, проходит вдоль электродов, поворачивает на 180°, проходит вдоль электродов в другой секции в обратном направлении и выходит из камеры через выходной патрубок.
Кроме того, размещение пакетов электродов в корпусе, выполненном из диэлектрического материала, повышает безопасность эксплуатации устройства.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - на которой показана сборка гофрированных электродов в рабочей камере активатора топлива, где
1 - пакет гофрированных электродов, 2 - электрические выводы
Фиг. 2 - двухзаходная камера активатора с гофрированными электродами (верхняя крышка снята), где:
3 - входной и выходной патрубки (штуцеры), 4 - перегородка, разделяющая рабочую камеру на секции.
Фиг. 3 - схема движения топлива в камере. Стрелками показано направление движения топлива.
Причем оптимальным является угол изгиба электродов равный 60°, поскольку при угле изгиба электродов 60° их длина увеличивается в два раза, то это приводит к удвоению электрической емкости рабочей камеры.
Пакеты электродов совмещаются так, что электроды одного пакета располагаются между электродами второго пакета. Движение топлива осуществляется между электродами.
На каждую сборку подается переменное электрическое напряжение. Топливо через входной патрубок поступает в одну из секций камеры, проходит вдоль электродов, поворачивает на 180°, проходит вдоль электродов в другой секции в обратном направлении и выходит из камеры через выходной патрубок (см. фиг. 3).
Сборки электродов помещаются в корпус, выполненный из диэлектрического материала.
Таким образом, деление камеры на две секции позволяет вдвое увеличить длину электродов и, следовательно, время взаимодействия переменного электрического поля с молекулами углеводородов, угол изгиба пластин электродов 60° позволяет еще в два раза увеличить их длину и еще в два раза время взаимодействия переменного электрического поля с молекулами углеводородов, размещение сборки электродов в диэлектрический корпус повышает безопасность эксплуатации устройства.
Мощность электрического поля в предлагаемой камере активатора может быть увеличена, как минимум, в 2 раза по сравнению с аналогом за счет увеличения площади пластин электродов и, следовательно, электрической емкости камеры активатора.
Предлагаемая полезная модель отличается тем, что изменение геометрической конфигурации электродов и направления движения топлива в камерах обработки топлива позволяет обеспечить как прохождение достаточно большого количества топлива, так и обеспечивает большее время взаимодействия электрического поля с молекулами углеводородов топлива. Это позволяет изготавливать безопасные, компактные изделия, в которых обеспечивается эффективная обработка топлива электрическими полями с относительно невысокими параметрами.
Такие камеры могут применяться, например, для поршневых двигателей внутреннего сгорания с большими расходами топлива.
Предлагаемое устройство многократно испытывалось в условиях стендовых испытаний, а также на различных транспортных средствахв условиях эксплуатации: грузовых автомобилях MAN, Volvo, КАМАЗ, тепловозах ТЭМ-2, судах морского и речного флота.
В 2017 году они были установлены совместно с системой мониторинга расхода топлива на 100 автобусов «Пассажиравтотранса» г. Санкт-Петербурга.
Анализ данных системы мониторинга по расходу топлива при движении автобуса по маршруту без нагрузки в условиях низкой температуры воздуха при включенном МТ показал снижение расхода топлива с 31,05 л/100 км до 28,68 л/100 км, т.е. на 7,6%.
В нагруженном состоянии автобуса было отмечено снижение расхода топлива с 50,31 л/100 км до 44,43 л/100 км, т.е. на 11,7%. Этот результат совпадает с результатом стендовых испытаний двигателя ЯМЗ, во время которых при малых нагрузках было достигнуто снижение расхода топлива на 10% и более (Шабанов А.Ю. Экспериментальное исследование влияния устройства «Молекулярный модификатор топлива (ММТ)» на экономические и экологические показатели автомобильных двигателей. / А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев // Отчет по НИР ФГОУ «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». - 2010. № государственной регистрации 200301001).