ГИДРОСТАБИЛИЗИРОВАННОЕ ТОПЛИВО, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ТЕПЛОЭНЕРГООБМЕННЫЙ РЕАКТОР
HYDRO-STABILIZED FUEL, METHOD OF PRODUCTION THEREOF AND HEAT-EXCHANGER REACTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится гидростабизированному топливу, а также к способу его получения и к теплоэнергообменному реактору для осуществления этого способа.
Уровень техники
В настоящее время весьма актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Одним из современных направлений для решения этих задач является применение топливных эмульсий типа вода - мазут, вода - дизельное топливо или вода - бензин.
Проведенными во многих странах исследованиями выявлена возможность повышения полноты сгорания и снижения содержания токсичных компонентов (окислов азота и серы, углерода, коксовых остатков и др.) в выхлопных газах за счет смешения в определенном соотношении воды и углеводородного горючего. Например, в патенте РФ №2120471 (опубл. 20.10.1998) получают смесь диспергированной воды с мазутом, а в патенте РФ №2304162 (опубл. 10.08.2007) такую смесь дополняют воздушными пузырьками, что дает основание именовать ее гидростабилизированной горючей смесью.
Получают водотопливные смеси различными способами, но чаще всего с помощью кавитационных устройств. Так, в патенте РФ №2221633 (опубл. 20.01.2004), как и в заявке Японии №2002-308603 (опубл. 23.10.2002) описан ультразвуковой диспергатор на основе пьезопреобразователя.
Такие устройства сложны как по конструкции - из-за наличия пьезопреобразователя, так и в эксплуатации, поскольку требуют точного подбора частоты ультразвуковых колебаний в зависимости от конкретного состава углеводородного топлива.
В патенте ЕАПВ №013093 (опубл. 26.02.2010), выданном на основе международной заявки WO 2010/093228 (опубл. 19.08.2010), перед кавитацией разогнанной до большой скорости смеси, выполняемой с помощью решеток, исходную смесь с содержанием воды до 50% нагревают. Однако в данном документе не раскрыты подробности осуществления кавитации.
Патент РФ №2340656 (опубл. 10.12.2008) выдан на способ получения нанодисперсной водотопливной эмульсии и устройство для его осуществления, содержащее статор и ротор, в которых сделаны отверстия разных размеров, образующих при вращении ротора попеременно узкие и широкие каналы, что и создает кавитацию. В развитие этой идеи в патенте РФ №2594425 (опубл. 20.08.2016) раскрыто устройство, содержащее несколько дисков ротора, чередующихся с дисками статора. В патенте РФ на полезную модель №94482 (опубл. 27.05.2010) описан гомогенизатор для тяжелых топлив, в котором два ротора вращаются в противоположных направлениях. Однако все эти устройства не обеспечивают достаточно интенсивной кавитации.
В патенте США №5679236 (опубл. 21.10.1997) объединены ультразвуковой генератор и вращающийся ротор, который одновременно служит катодом для электролиза воды. Недостатком этого технического решения является его сложность.
Наиболее близким аналогом можно считать патент РФ №2543182 (опубл. 27.02.2015), в котором раскрыты способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления, содержащее по меньшей мере две вихревые трубы с тангенциальными вводами для подачи в каждую из них смеси углеводородного топлива с водой для формирования в каждой из этих вихревых труб отдельного завихренного потока; общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб за счет их пересечения по образующим и предназначенную для обеспечения столкновения отдельных завихренных потоков и разрежения полученного общего потока; цилиндрические вытеснители, каждый из которых установлен в соответствующей вихревой трубе.
Данное устройство реализует соответствующий способ, позволяющий получать водотопливную смесь за счет ультразвуковой кавитации исходного углеводородного топлива в смеси с водой. Однако интенсивность такой кавитации не может считаться достаточной.
Раскрытие изобретения
Настоящая группа изобретений направлена на получение гидростабилизированного топлива за счет усиленной кавитации. В результате использования данной группы изобретений расширяется арсенал технических средств и преодолевается недостаток ближайшего аналога.
+
-
В первом объекте настоящего изобретения предложено гидростабилизированное топливо (далее - ГСТ), состоящее из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений, полученных за счет разрыва внутримолекулярных связей углеводородного топлива в процессе гидродинамической кавитации и по меньшей мере частично соединенных с радикалами Н и ОН молекул воды, диссоциированных в процессе гидродинамической кавитации, при этом молекулы воды, не диссоциированные в процессе гидродинамической кавитации, гомогенизированы в виде капель воды, вокруг которых образованы сольватационные оболочки из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений.
Особенность топлива по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что капли воды могут иметь размеры в диапазоне 1-10 мкм, предпочтительно в диапазоне 1-5 мкм.
+
-
+
-
Во втором объекте настоящего изобретения предложен способ получения ГСТ по первому объекту, заключающийся в том, что обеспечивают смесь из углеводородного топлива и воды в заданной пропорции; осуществляют гидродинамическую кавитацию смеси, в процессе чего: получают одновременно фрагменты высокомолекулярных углеводородных соединений и радикалы Н и ОН диссоциированных молекул воды; обеспечивают по меньшей мере частичное соединение фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений и радикалов Н и ОН; обеспечивают гомогенизацию не диссоциированных молекул воды в виде капель воды с образованием вокруг них сольватационных оболочек из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений.
Особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в смеси заданная пропорция воды по отношению к углеводородному топливу может составлять от 1 до 30%.
Еще одна особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что гидродинамическую кавитацию могут осуществлять путем: подачи смеси углеводородного топлива с водой в теплоэнергообменный реактор в виде по меньшей мере двух пространственно разделенных потоков под давлением выше атмосферного; завихрения всех потоков в одном направлении; сталкивания всех завихренных потоков в общий поток с одновременным его разрежением; ускорения общего потока для обеспечения в нем давления ниже атмосферного.
При этом давление при подаче смеси по меньшей мере может в 3 раза превышать давление в ускоренном вихревом потоке.
В третьем объекте настоящего изобретения предложен теплоэнергообменный реактор для осуществления способа по второму объекту, содержащий: по меньшей мере две вихревые трубы с тангенциальными вводами для подачи в каждую из них смеси углеводородного топлива с водой для формирования в каждой из этих вихревых труб отдельного завихренного потока; общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб за счет их пересечения по образующим и предназначенную для обеспечения столкновения отдельных завихренных потоков и разрежения полученного общего потока; вытеснители, каждый из которых установлен в соответствующей вихревой трубе и выполнен так, что соотношение площади сечения вихревой трубы и площади сечения вытеснителя по мере продвижения в направлении протекания соответствующего потока постоянно уменьшается; конфузор, установленный на выходе из общей камеры.
Особенность реактора по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что каждый вытеснитель может быть выполнен с углублениями, проходящими в продольном направлении и предназначенными для повышения турбулентности в соответствующем завихренном потоке.
Еще одна особенность способа по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что он может содержать пять вихревых труб, четыре их которых могут быть выполнены одинакового диаметра вокруг пятой вихревой трубы большего диаметра.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами.
На Фиг. 1 показана увеличенная фотография распределения частиц в гидростабилизированном топливе по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 приведен вид в разрезе теплоэнергообменного реактора по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
+
-
Предложенное в первом объекте настоящего изобретения гидростабилизированное топливо (ГСТ) состоит из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений. Такие соединения содержатся в нефтепродуктах, особенно в так называемых тяжелых нефтепродуктах (мазут, битум). Эти фрагменты в предложенном ГСТ получены за счет разрыва внутримолекулярных связей углеводородного топлива в процессе гидродинамической кавитации. Кроме того, в процессе гидродинамической кавитации вода частично (1-3%) диссоциируется на радикалы Н и ОН, причем по меньшей мере некоторые из фрагментов углеводородного топлива соединены с этими радикалами. При этом молекулы воды, не диссоциированные в процессе гидродинамической кавитации, гомогенизированы в виде капель воды, вокруг которых образованы «сольватационные» оболочки из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений.
На Фиг. 1 приведена увеличенная фотография распределения частиц в гидростабилизированном топливе по настоящему изобретению. В левом нижнем углу Фиг. 1 показан отрезок, равный 100 мкм. Как видно на Фиг. 1, лишь некоторые капли воды (белые кружки) имеют размеры не более 10 мкм, а основная масса капель воды имеет размеры 1-5 мкм.
Предложенное ГСТ получается в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения в ходе гидродинамической кавитации смеси из углеводородного топлива и воды в заданной пропорции. В этой пропорции вода по отношению ко всей смеси может составлять от 1 до 30%.
Способ по второму объекту настоящего изобретения, предназначенный для получения ГСТ по первому объекту настоящего изобретения, реализуется с помощью теплоэнергообменного реактора по третьему объекту настоящего изобретения. Этот реактор содержит (Фиг. 2) корпус 1, в котором имеются по меньшей мере две вихревые трубы 2. Вихревые трубы 2, как следует из их названия, предназначены для формирования в каждой из них отдельного завихренного потока поданной смеси. Для этого каждая вихревая труба 2 имеет тангенциальный ввод 3 для подачи смеси углеводородного топлива с водой, благодаря чему подаваемая смесь закручивается по стенкам соответствующей вихревой трубы 2. Тангенциальные вводы 3 всех вихревых труб 2 размещены так, чтобы завихрять потоки во всех вихревых трубах 2 в одном и том же направлении.
Ссылочная позиция 4 обозначает общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб 2 за счет их пересечения по образующим. Иными словами, на дальнем от тангенциального ввода 3 конце каждая вихревая труба 2 соприкасается с соседней вихревой трубой. Это касание всех вихревых труб 2 предназначено для обеспечения столкновения отдельных завихренных потоков, проходящих в месте касания в противоположных направлениях. Образованная всеми вихревыми трубами 2 общая камера 4, за счет резко увеличенного сечения по сравнению с суммарным сечением всех вихревых труб 2, обеспечивает разрежение полученного общего потока.
Для принудительного создания вихря в каждой вихревой трубе 2 установлен вытеснитель 5, наличие которого заставляет завихренный поток отжиматься к стенке вихревой трубы 2. При этом каждый вытеснитель 5 выполнен так, что соотношение площади сечения вихревой трубы 2 и площади сечения вытеснителя 5 по мере продвижения в направлении протекания соответствующего потока (сверху вниз на Фиг. 2) постоянно уменьшается. То есть просвет в вихревой трубе 2 из-за расширяющегося вытеснителя 5 (либо - при постоянном сечении вытеснителя 5 - из-за сужающейся вихревой трубы 2) постоянно уменьшается, заставляя завихренный поток ускоряться.
На выходе из общей камеры 4 установлен конфузор 6, представляющий собой, например, расширяющийся конус, обеспечивающий дополнительное ускорение выходного потока.
Вытеснитель 5 может быть выполнен с углублениями, проходящими в продольном направлении и предназначенными для повышения турбулентности в соответствующем завихренном потоке (на Фиг. 2 не показано).
В принципе, теплоэнергообменный реактор по третьему объекту настоящего изобретения может содержать четыре вихревых трубы 2 одинакового диаметра, расположенных равномерно вокруг пятой вихревой трубы 2 большего диаметра.
Способ по второму объекту настоящего изобретения реализуется в теплоэнергообменном реакторе по третьему объекту настоящего изобретения следующим образом.
Смесь углеводородного топлива и воды в заданной пропорции поступает под давлением выше атмосферного на общий вход (не показано), откуда распределяется по тангенциальным вводам 3 каждой вихревой трубы 2. Благодаря тому, что входной поток направлен по касательной (тангенциально) к стенке вихревой трубы 2, этот поток начинает завихряться в заданном направлении, причем одинаково во всех вихревых трубах 2. Наличие вытеснителя 5 постепенно уменьшает сечение просвета в вихревой трубе 2, поэтому поток практически несжимаемой жидкости имеет постоянное ускорение. Если же вытеснитель 5 выполнен с продольными углублениями, то турбулентность потока в вихревой трубе 2 еще более возрастает.
1
2
1
2
-
+
По достижении конечного участка всех вихревых труб 2 потоки в соседних вихревых трубах начинают частично сталкиваться «лоб в лоб». Такое - фактически ударное - столкновение вызывает гидродинамические удары, приводящие к «схлопыванию» кавитационных каверн. За счет их постоянного схлопывания возникающие механические силы разрывают внутримолекулярные связи, формируя фрагменты углеводородного топлива. Можно сказать, что длинная молекула углеводородного топлива, условно образованная двумя радикалами R-R, разрывается на свои составные части R и R.
+
-
+
-
1
2
Одновременно за счет кавитационной диссоциации некоторых молекул воды в смеси образуются радикалы Н и ОН. Эти радикалы Н и ОН присоединяются к по меньшей мере части фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений, закрывая их открытые вследствие разрыва связи. То есть, происходит образование достаточно устойчивых соединений R⎯Н и R⎯ОН. В результате появления таких устойчивых фрагментов конечное гидростабилизированное топливо может храниться достаточно долго.
Недиссоциированные молекулы воды, объединенные в капли сверхмалого размера (с диаметром от 1 до 10 мкм, предпочтительно от 1 до 5 мкм при более интенсивной кавитации) гомогенизируются с образованием вокруг них «сольватационных» оболочек из фрагментов высокомолекулярных углеводородных соединений. Термин «сольватационная оболочка» использован здесь по аналогии со следующим. Как известно специалистам (https://ru.wikipedia.org/wiki/сольватация), сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя. В данном случае окруженной является капля воды, а в качестве растворителя, окружающего каплю воды, выступает смесь фрагментов углеводородного топлива, к примеру, смолисто-асфальтеновых фракций. Окруженные такими оболочками капли воды сохраняются достаточно долго.
Имеющийся на выходе из общей камеры 4 конфузор 6 обеспечивает дополнительное падение давления, а, следовательно, увеличение скорости истечения результирующего потока, благодаря чему повышаются и скорости соударений молекул в общей камере 4, интенсифицируя кавитационные процессы.
Таким образом, на выходе рассмотренного теплоэнергообменного реактора выделяется гидростабилизированное топливо, внутренняя структура которого позволяет хранить его в течение по меньшей мере 1 года.