УСТРОЙСТВО ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВА

Изобретение относится к устройствам, применяемым для сжигания газообразного и многокомпонентного топлива, преимущественно природного газа среднего давления, и может найти применение в энергетических установках различных типов и назначений, например в котельных, двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках и т.п.
Известно устройство, (см. описание к патенту № WО 09621826A1 PCT/US 96/06128 МПК: F23К 5/08), в котором для улучшения процесса сгорания топлива его перед сжиганием пропускают через камеру, на наружной поверхности которой располагаются магниты, формирующие знакопеременные магнитные поля. При движении топлива в таком устройстве происходит разделение примесей в топливе на положительные и отрицательные ионы, что приводит к повышению эффективности сгорания топлива и соответственно уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу. Однако при использовании этого устройства не обеспечивается максимальная полнота сгорания топлива.
Известен способ подготовки углеводородного топлива для двигателей внутреннего сгорания, согласно которому топливо перед подачей в ДВС подвергается опосредованной обработке СВЧ-полями. Обработка осуществляется в устройстве подготовки топлива, активным элементом которого служит предварительно обработанный СВЧ-полями металл-посредник (см описание к патенту РФ №2244845 опубл. 20.01.05 г. МПК: F02M 27/00). Известные способ и устройство не обеспечивают максимальной полноты сгорания топлива при их использовании.
Известны также способ и устройство (см. описание к патенту US №5.370.525 НКИ: 431/11; 431/2; 431/058, MПK: F23D 11/44), содержащее газовый котел с водогрейными трубами, газовую горелку, устройство подачи окислителя (воздуха) и генератора энергии СВЧ. В этом устройстве с помощью
рупоров на переднюю кромку пламени котла подают энергию радиоволн СВЧ диапазона (сантиметровые волны). Однако недостатком данного устройства является неэффективное использование энергии радиоволн СВЧ диапазона из-за потерь энергии радиоволн на рассеяние ее в объеме котла. Кроме того, энергия радиоволн частично выходит за пределы котла, что ухудшает биологическую обстановку около котла и требует его экранирования.
Наиболее близким из известных является устройство для подготовки топлива (см. описание к заявке №2005110094 от 07.04.2005 г.), содержащее устройство намагничивания, устройство генерирования СВЧ энергии и излучающие элементы, выполненные в виде многослойных многоговитковых наноструктур. Недостатком известного устройства является его низкая производительность, обусловленная малым размером поперечного сечения канала для прохождения топлива и малым уровнем мощности радиоволн СВЧ диапазона. Это устройство предназначено для установки в топливопровод двигателя внутреннего сгорания, расход топлива в котором незначительный. Применение устройства в таком конструктивном исполнении, например, в магистральном топливопроводе или для котельных представляется довольно сложным.
Целью предлагаемого технического решения (полезной модели) является увеличение производительности подготовки топлива при высокой эффективности его сгорания и расширение арсенала известных технических средств аналогичного назначения.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве подготовки топлива (УПТ), содержащем устройство для омагничивания топлива, устройство генерирования СВЧ энергии с подключенным к его входу устройством управления, и излучающие элементы, выполненные в виде многослойных многовитковых наноструктур, устройство для омагничивания топлива выполнено в виде первого отрезка трубы, на наружной поверхности которой с возможностью создания знакопеременного продольного магнитного поля установлены магниты, кроме того, в УПТ введен коаксиально-волноводный
переход, состоящий из короткозамыкателя, выполненного в виде отрезка коаксиальной линии, на наружной поверхности которой выполнена кольцевая короткозамкнутая полуволновая ловушка, а центральная жила закреплена в нем короткозамкнутыми четвертьволновыми шлейфами и второго отрезка трубы с, по крайней мере, одним устройством связи, причем устройство генерирования СВЧ энергии содержит, по крайней мере, один генератор СВЧ, подключенный к устройству связи коаксиально-волноводного перехода, а излучающие элементы размещены в третьем отрезке трубы, при этом устройство для омагничивания топлива, коаксиально-волноводный переход, второй отрезок трубы и третий отрезок трубы с излучающими элементами соединены последовательно и герметично.
Кроме того, для защиты операторов от вредного воздействия энергии СВЧ в устройство дополнительно введен второй короткозамыкатель, вход которого соединен с выходом устройства омагничивания, а выход подключен ко входу первого короткозамыкателя, а для повышения производительности УПТ коаксиально-волноводный переход выполнен с двумя устройствами связи, расположенными в плоскости, перпендикулярной его продольной оси и ортогонально друг другу.
В металлических наноструктурах, выполненных в виде многослойных тороидальных многовитковых изолированных обмоток, размещенных на кольцевых элементах из радиопрозрачного материала, кольцевые элементы имеют многополюсное намагничивание.
Излучающие элементы - металлические наноструктуры установлены таким образом, что их магнитные поля ортогональны направлению потока топлива и образуют спирали, обладающие осевой симметрией по отношению к направлению прохождения топлива.
γ1
o
o
о
Металлические наноструктуры для уменьшения их влияния на генератор СВЧ образуют пирамиду, вершина которой направлена к выходу коаксиально-волноводного перехода, а диаметр кольцевых элементов выбран из соотношения d=n(е-1), где γ=(1/l)*ln(d/n+1); где l высота пирамиды; n -
o
номер излучателя; d - наибольший диаметр излучателя; l - расстояние от вершины пирамиды до "n"-го излучателя.
Расстояние между кольцевыми элементами выбрано ≤λ/4, где λ - длина волны генератора СВЧ.
Устройство управления генераторами СВЧ выполнено с возможностью формирования несинхронной последовательности запускающих магнетрон импульсов с частотой следования от 10 до сотен герц.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлено конструктивное исполнение предлагаемого устройства с двумя генераторами СВЧ, предназначенного в данном случае для использования магистральном трубопроводе с большим расходом топлива, а также в котельных, работающих на газовом топливе.
Устройство подготовки топлива содержит устройство омагничивания топлива 1, выполненное в виде первого отрезка трубы 2, на наружной поверхности которой с возможностью создания знакопеременного продольного магнитного поля установлены магниты 3. Устройство омагничивания топлива 1 своим входом герметично соединено с топливопроводом, а выходом - со входом короткозамыкателя 4 коаксиально-волноводного перехода 5, состоящего из короткозамыкателя 4 и второго отрезка трубы 6 устройствами связи 7,7А генераторов СВЧ 8,8А. Короткозамыкатель 4 выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, на наружной поверхности которой выполнена кольцевая короткозамкнутая полуволновая ловушка 9, а центральная жила 10 закреплена короткозамкнутыми четвертьволновыми шлейфами 11. Выход короткозамыкателя 4 герметично соединен со входом второго отрезка трубы 6 с устройствами связи 7,7А для подключения генераторов СВЧ 8,8А. В качестве устройств связи 7,7А используются выводы энергии СВЧ генераторов 8,8А. Вход короткозамыкателя 4 является входом второго отрезка трубы 6 с
устройствами связи 7,7А, второй конец отрезка трубы 6 - выходом коаксиально-волноводного перехода 5. Выход коаксиально-волноводного перехода 5 герметично соединен со входом третьего отрезка трубы 12, выполняющего функцию волновода, внутри которого размещены излучающие элементы 13. Выход третьего отрезка трубы 12 соединен с газовой магистралью.
Генераторы СВЧ 8,8А выполнены в виде магнетронных генераторов с номинальной частотой 2,45 ГГц. Магнетронные генераторы установлены внутри воздуховода (на чертеже не показаны) с целью обеспечения требуемого теплового режима. Для обеспечения биологической защиты операторов от вредного воздействия СВЧ излучения, в магистраль перед коаксиально-волноводным переходом 5, может быть введен второй короткозамыкатель 4, конструктивно выполненный аналогично первому. Для увеличения уровня СВЧ мощности в волноводе 12 с металлическими многослойными наноструктурами 13 коаксиально-волноводный переход 5 выполнен с двумя элементами связи 7,7А, расположенными в плоскости ортогональной продольной оси волновода, и ортогонально друг другу. Излучающие элементы 13 (металлические многослойные наноструктуры) могут быть выполнены в виде многослойных тороидальных многовитковых изолированных обмоток, размещенных на кольцевых элементах из радиопрозрачного материала. В качестве радиопрозрачного материала использован ферримагнетик - магнитотвердый феррит марки 25БА170, намагниченный до насыщения. Кольцевые элементы имеют многополюсное намагничивание.
Излучающие элементы 13 установлены таким образом, что их магнитные поля ортогональны направлению потока газа и образуют спирали, обладающие осевой симметрией по отношению к направлению движения топлива (газа).
γ1
o
o
о
o
Излучающие элементы 13 в волноводе образуют пирамиду, в которой диаметр кольцевых элементов выбран из соотношения d=n(е-1), где γ=(1/l)*ln(d/n+1); где l высота (длина) пирамиды, d - наибольший диаметр излучателя; l - расстояние от вершины пирамиды до "n"-го излучателя. При
этом расстояние между кольцевыми элементами выбрано ≤λ/4, где λ - длина волны генератора СВЧ в волноводе. В воздуховоде установлены два магнетрона СВЧ с подключенными к их входам устройствами управления 14,14А. Устройства управления 14,14А обеспечивают формирование последовательности несинхронных запускающих магнетроны импульсов с частотой следования от 10 до сотен герц. В конкретном исполнении устройства управления 14,14А могут содержать импульсные модуляторы, выполненные в виде импульсных источников питания, частота преобразования которых изменяется в указанных выше пределах.
Предлагаемое устройство работает следующим образцом. Топливо (газ) по трубопроводу поступает на вход устройства омагничивания 1, в котором при прохождении топлива происходит взаимодействие молекул топлива со знакопеременным магнитным полем. В результате такого взаимодействия происходит разделение топлива на положительные и отрицательные ионы. Топливо «разрыхляется» с тем, чтобы в последующем перемешаться с окислителем (воздухом), что улучшит характеристики его горения. Затем топливо (газ) проходит через короткозамыкатель 4 коаксиально-волноводного перехода 5 и поступает в отрезок трубы 12 (волновод) с металлической многослойной наноструктурой 13, образующей в данном случае пирамиду. Короткозамыкатель 4 формирует согласователь, замыкающий волновод коаксиально-волноводного перехода 5, для передачи энергии СВЧ от элементов связи 7,7А в отрезок трубы 12 (волновод) с металлической многослойной наноструктурой. Элементы связи 7,7А коаксиально-волноводного перехода 5 совместно с магнетронными генераторами СВЧ 8,8А обеспечивают передачу энергии радиочастот СВЧ диапазона в волновод 12 с наноструктурой 13. По мере прохождения топлива (газа) по волноводу с наноструктурами происходит волновое взаимодействие топлива с энергией магнетронных генераторов СВЧ и собственными электрическими и магнитными полями металлических многослойных наноструктур. Частота генераторов СВЧ выбрана равной 2,45 ГГц, что дает возможность воздействовать на примеси в топливе в виде капель
воды с целью превращения их в пар и лучшего перемешивания с окислителем (воздухом). Выбранная частота магнетронных генераторов является резонансной для паров воды и это способствует лучшему их взаимодействию с топливом (газом).
Под воздействием энергии радиочастот СВЧ диапазона (сантиметровые волны), распространяющихся в коаксиально-волноводном переходе 5 и в волноводе 12 с наноструктурой, происходит возбуждение элементов наноструктуры и формирование наноструктурой собственных электрических и магнитных полей. Молекулы топлива, попадая в поле наноструктуры, взаимодействуют с ее полями. Происходит волновой перенос энергии поля наноструктуры молекулам топлива. Молекулы топлива, приобретая дополнительную энергию за счет волнового переноса, приобретают дополнительные свойства, улучшающие их характеристики горения. После прохождения топливом (газом) волновода с наноструктурой, топливо поступает в топливопровод, горелку, где оно смешивается с окислителем (воздухом) и поступает в котел.
Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает большую производительность подготовки топлива при высокой эффективности его сгорания, так как в предлагаемом устройстве не происходит рассеяние энергии радиочастотного поля диапазона СВЧ, а наличие короткозамкнутых участков для частот генераторов СВЧ в питающем трубопроводе обеспечивает биологическую защиту обслуживающего персонала.
Предлагаемое устройство может быть установлено в магистральном топливопроводе с большим расходом топлива и может использоваться в котельнях, а также в системах подачи газа потребителям и других энергетических установках с большим расходом топлива.