УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для обработки топлива и может быть использовано в различных технологических процессах, как при переработке жидкого углеводородного топлива с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов, так и при подготовке его перед сжиганием в различных энергетических установках (котельных, теплостанциях и т.д.), а также в различных видах двигателей внутреннего сгорания.
Известно устройство для обработки топлива, содержащее стержень, выполненный электропроводящим и предназначенный для подсоединения к одному из выводов источника электропитания, корпус, установленный коаксиально снаружи относительно стержня с образованием камеры обработки топлива в зазоре между стержнем и корпусом, намотку, спирально расположенную вокруг стержня, электрод, предназначенный для подсоединения к другому из выводов источника электропитания, причем намотка выполнена разношаговой из двух проводов, которые расположены с образованием промежутка между ними и установлены с
возможностью встречного протекания тока, при этом в камере обработки топлива один конец одного провода соединен со стержнем с одного его края, а противоположный конец другого провода соединен со стержнем с другого его края, другие концы проводов изолированы от стержня, корпус выполнен металлическим и упомянутый электрод подсоединен к корпусу (патент РФ №2215172 на изобретение, кл. F02М 27/04, опубл. 27.10.2003).
К недостаткам известного устройства следует отнести невысокое качество обработанного топлива, обусловленное ослабленным электромагнитным полем при протекании встречных токов по стержню с намоткой из двух проводов, а также невозможность применения данного устройства для высокомощных энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, требующих большой объем и высокую скорость протока обрабатываемого топлива.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обработки топлива содержащее стержень, выполненный электропроводящим и предназначенный для подсоединения к первому выводу источника электропитания в области конца стержня, ближней по ходу топлива, корпус, выполненный электропроводящим, предназначенный для подсоединения ко второму выводу источника электропитания и
установленный снаружи относительно стержня с образованием камеры обработки топлива в зазоре между стержнем и корпусом, намотку, расположенную вокруг стержня и выполненную из провода, свободного от изоляции и изогнутого по спирали, диэлектрическую втулку, установленную внутри стержня в области его конца, дальней по ходу топлива, причем намотка выполнена из одного провода, пропущенного через отверстие диэлектрической втулки, при этом концы провода соединены со стержнем диаметрально противоположно в области его конца, ближнем по ходу топлива (патент РФ №46310 на полезную модель, кл. F02М 27/04, опубл. 27.06.2005 - прототип).
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- невысокое качество обработанного топлива, обусловленное ослабленным электромагнитным полем при протекании встречных токов по стержню с намоткой из одного провода, пропущенного через отверстие диэлектрической втулки, концы которого соединены со стержнем диаметрально противоположно в области его конца, ближнем по ходу топлива;
- невозможность применения данного устройства для высокомощных энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, требующих большой объем и высокую скорость протока обрабатываемого топлива, из-за введения в электрическую схему переменного сопротивления и
конденсатора, которые при высоких напряжениях шунтируют контур, образованный намоткой, и может возникнуть опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала.
Техническим результатом полезной модели является создание новой конструкции устройства для обработки топлива, обеспечивающего повышение качества обработки топлива и обладающего широкой областью применения.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства для обработки топлива по первому варианту, повышение экономии топлива при эксплуатации различных типов и мощности энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, снижение токсичности и объема отработанных газов, возможность параллельно направленного подсоединения впускного и выпускного патрубков заявляемого устройства к энергетической установке или двигателю внутреннего сгорания.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства для обработки топлива по второму варианту, повышение экономии топлива при эксплуатации различных типов и мощности энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, снижение токсичности и объема отработанных газов, возможность перпендикулярно направленного подсоединения впускного и выпускного
патрубков заявляемого устройства к энергетической установке или двигателю внутреннего сгорания.
Для достижения технического результата по первому варианту устройства для обработки топлива, содержащего корпус, имеющий внутреннюю полость и выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к одному из выводов источника питания, стержень, выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к другому из выводов источника питания и расположенный во внутренней полости корпуса с образованием камеры обработки топлива в зазоре между стержнем и корпусом, намотку, расположенную вокруг стержня и выполненную из одного провода, свободного от изоляции и изогнутого по спирали, диэлектрическую втулку, согласно полезной модели, диэлектрическая втулка закреплена в ближней по ходу топлива торцевой части корпуса, имеющего цилиндрическую форму внутренней полости, в сквозном отверстии диэлектрической втулки установлен хвостовой частью стержень, рабочая часть которого имеет продольное центральное отверстие и наружную поверхность в форме конуса или усеченного конуса, при этом стержень своим большим наружным диаметром расположен к входу топлива в камеру обработки, намотка расположена по длине рабочей части стержня и имеет электрическое соединение одним концом с наружной поверхностью рабочей части стержня, ближней к
входу топлива в камеру обработки, и другим концом диэлектрическое соединение с наружной поверхностью рабочей части стержня, ближней к выходу топлива из камеры обработки, на боковой наружной поверхности корпуса расположены впускной и выпускной патрубки, а на торцевой части корпуса, противоположной торцевой части с закрепленной диэлектрической втулкой, установлена заглушка.
В первом варианте заявляемого устройства для обработки топлива целесообразно, чтобы:
C
- общее количество витков намотки составляло , где W - общее количество витков намотки, L - длина рабочей части стержня;
Г
П
- в намотке, состоящей из нескольких групп витков, количество групп витков намотки составляло , где К - количество групп витков в намотке,  - количество витков намотки в одной группе, d - диаметр провода намотки;
С1
С2
- больший и меньший диаметры наружной поверхности рабочей части стержня были выполнены удовлетворяющими соотношению , где d, d- больший и меньший диаметры наружной поверхности рабочей части стержня;
- диаметр внутренней полости корпуса и среднее значение диаметра наружной поверхности рабочей части стержня были выполнены
К
С
удовлетворяющими соотношению , где d - диаметр внутренней полости корпуса, , d - среднее значение диаметра наружной поверхности рабочей части стержня;
ПК
- длина внутренней полости корпуса и длина рабочей части стержня были выполнены удовлетворяющими соотношению , где L - длина внутренней полости корпуса;
ВЫП
ВП
- площадь поперечного сечения выходного патрубка и площадь поперечного сечения входного патрубка были выполнены удовлетворяющими соотношению , где S, S - площадь поперечного сечения выпускного и впускного каналов.
Для достижения технического результата по второму варианту устройства для обработки топлива, содержащего корпус, имеющий внутреннюю полость и выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к одному из выводов источника питания, стержень, выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к другому из выводов источника питания и расположенный во внутренней полости корпуса с образованием камеры обработки топлива в зазоре между стержнем и корпусом, намотку, расположенную вокруг стержня и выполненную из одного провода, свободного от изоляции и изогнутого по спирали, диэлектрическую втулку, согласно полезной модели,
диэлектрическая втулка закреплена в ближней по ходу топлива торцевой части корпуса, имеющего цилиндрическую форму внутренней полости, в сквозном отверстии диэлектрической втулки установлен хвостовой частью стержень, рабочая часть которого имеет продольное центральное отверстие и наружную поверхность в форме конуса или усеченного конуса, при этом стержень своим большим наружным диаметром расположен к входу топлива в камеру обработки, намотка расположена по длине рабочей части стержня и имеет электрическое соединение одним концом с наружной поверхностью рабочей части стержня, ближней к входу топлива в камеру обработки, и диэлектрическое соединение с наружной поверхностью рабочей части стержня, ближней к выходу топлива из камеры обработки, на боковой наружной поверхности корпуса расположен впускной патрубок, а на торцевой части корпуса, противоположной торцевой части с закрепленной диэлектрической втулкой, установлен выпускной патрубок.
Во втором варианте заявляемого устройства для обработки топлива целесообразно, чтобы:
C
- общее количество витков намотки составляло , где W - общее количество витков намотки, L - длина рабочей части стержня;
Г
- в намотке, состоящей из нескольких групп витков, количество групп витков намотки составляло , где К - количество групп витков в
П
намотке,  - количество витков намотки в одной группе, d - диаметр провода намотки;
С1
С2
- больший и меньший диаметры наружной поверхности рабочей части стержня были выполнены удовлетворяющими соотношению , где d, d - больший и меньший диаметры наружной поверхности рабочей части стержня;
К
С
- диаметр внутренней полости корпуса и среднее значение диаметра наружной поверхности рабочей части стержня были выполнены удовлетворяющими соотношению , где D - диаметр внутренней полости корпуса, , d - среднее значение диаметра наружной поверхности рабочей части стержня;
ПК
- длина внутренней полости корпуса и длина рабочей части стержня были выполнены удовлетворяющими соотношению , где L - длина внутренней полости корпуса;
ВЫП
ВП
- площадь поперечного сечения выходного патрубка и площадь поперечного сечения входного патрубка были выполнены удовлетворяющими соотношению , где S, S - площадь поперечного сечения выпускного и впускного каналов.
Варианты исполнения заявляемой полезной модели поясняются чертежами, где на фиг.1 показан общий вид первого варианта устройства для обработки топлива в разрезе, на фиг.2 показан общий вид второго варианта устройства для обработки топлива в разрезе.
Устройство для обработки топлива по первому варианту (фиг.1) содержит корпус 1, имеющий внутреннюю полость и выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к одному из выводов 2 источника питания (источник питания на чертеже не показан), стержень 3, выполненный электропроводящим с возможностью подсоединения к другому из выводов 4 источника питания и расположенный во внутренней полости корпуса с образованием камеры 5 обработки топлива в зазоре между стержнем 3 и корпусом 1, намотку 6, расположенную вокруг стержня 3 и выполненную из одного провода, свободного от изоляции и изогнутого по спирали, диэлектрическую втулку 7, закрепленную в ближней по ходу топлива торцевой части корпуса 1, имеющего цилиндрическую форму внутренней полости, в сквозном отверстии диэлектрической втулки 7 установлен хвостовой частью стержень 3, рабочая часть которого имеет продольное центральное отверстие 8 и наружную поверхность в форме конуса или усеченного конуса, при этом стержень 3 своим большим наружным диаметром расположен к входу топлива в камеру 5 обработки, намотка 6 расположена по длине рабочей
части стержня 3 и имеет электрическое соединение одним концом с наружной поверхностью рабочей части стержня 3, ближней к входу топлива в камеру 5 обработки, и диэлектрическое соединение с наружной поверхностью рабочей части стержня 3, ближней к выходу топлива из камеры 5 обработки, на боковой наружной поверхности корпуса 1 расположены впускной 9 и выпускной 10 патрубки, а на торцевой части корпуса 1, противоположной торцевой части с закрепленной диэлектрической втулкой 7, установлена заглушка 11.
Второй вариант заявляемого устройства для обработки топлива (фиг.2) отличается от первого варианта тем, что на боковой наружной поверхности корпуса 1 расположены впускной 9 патрубок, а на торцевой части корпуса 1, противоположной торцевой части с закрепленной диэлектрической втулкой 7, установлен выпускной 10 патрубок.
Устройство для обработки топлива устанавливается в топливопроводе энергетической установки или двигателя внутреннего сгорания посредством фланцевого или иного соединения, обеспечивающего требуемую надежность и герметичность, и работает следующим образом.
Жидкое углеводородное топливо через впускной патрубок 9 поступает в камеру обработки 5, проходя вдоль рабочей части стержня 3 с намоткой 6, подвергается электромагнитному воздействию и через
выпускной патрубок 10 поступает на вход энергетической установки или двигателя внутреннего сгорания для последующего сжигания. При этом через выводы 2 и 4 с источника электропитания на намотку 6 подается переменное напряжение от 12 в до 2,76 кв с частотой 0,05÷12,5 кгц или постоянное напряжение 12÷600 в. За счет электромагнитного воздействия в обрабатываемом топливе происходит ослабление межмолекулярных связей, вследствие чего топливо распыляется на более мелкие фракции и более полно и с большей температурой сгорает. Выполнение рабочей части стержня 3 в форме конуса или усеченного конуса, а, следовательно, и коническая форма намотки 6, обеспечивает более полное отекание заряженных частиц по направлению потока топлива, улучшая его поляризацию, тем самым повышая качество обработки топлива вне зависимости от его количества и скорости прохождения через камеру обработки 5. Использование намотки 6 из одного провода, расположенного по длине рабочей части стержня 3 и имеющего электрическое соединение одним концом с наружной поверхностью рабочей части стержня 3, ближнего к входу топлива в камеру обработки 5, и диэлектрическое соединение с наружной поверхностью рабочей части стержня 3, ближней к выходу топлива из камеры обработки 5, устраняет протекание встречных токов по стержню 3 с намоткой 6, что обеспечивает повышение качества обработки топлива и расширяет область применения
заявляемого устройства, включая возможность его использования в мощных энергетических установках и двигателях внутреннего сгорания, требующих большой объем и высокую скорость протекания обрабатываемого топлива и других нефтепродуктов с высокой вязкостью и большим содержанием серы.
Сравнительные технические характеристики различных видов жидкого углеводородного топлива, обработанного с использованием прототипа и заявляемого устройства приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, после обработки топлива с помощью прототипа и заявляемого устройства основной показатель эффективности топлива - теплота сгорания выше, чем у базового топлива, не подверженного обработке. Однако при обработке топлива с помощью заявляемого устройства теплота сгорания топлива выше, чем у прототипа по дизельному топливу на 608 кДж/кг, по мазуту Ф-5 - на 1780 кДж/кг, по мазуту М-100 - на 2180 кДж/кг. По другим техническим характеристикам топливо, обработанное с помощью заявляемого устройства, имеет с точки зрения эксплуатации значительно лучшие показатели, чем топливо, обработанное с использованием прототипа.
В таблицах 2-3 приведены результаты испытаний прототипа и заявленного устройства соответственно на различных видах двигателей внутреннего сгорания и энергетических установках мощностью от 0,75 до
100 МВт. Как видно из приведенных таблиц эксплуатационные характеристики и экологические показатели работы двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок, достигаемые с использованием заявляемого устройства значительно лучше, чем у прототипа. Так, по важнейшей технической характеристике - снижение расхода топлива эффективность использования заявляемого устройства в 3-4 раза выше, чем у прототипа. Важнейшие экологические показатели - уменьшение содержания угарного газа, оксидов азота и серы при использовании заявляемого устройства в 4-30 раз выше, чем у прототипа.
Указанные выше эксплуатационные характеристики и экологические показатели работы двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок выгодно отличают заявляемую полезную модель от прототипа.
Сопоставительный анализ заявляемой конструкции и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого устройства для обработки топлива по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «новизна».
Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, выражающийся в создании нового устройства для
обработки топлива, обеспечивающего повышение качества обработки топлива и обладающего широкой областью применения.
Использование заявляемого устройства для обработки топлива в различных технологических процессах, как при переработке жидкого углеводородного топлива с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов, так и при подготовке его перед сжиганием в различных энергетических установках (котельных, теплостанциях и т.д.), а также в различных видах двигателей внутреннего сгорания обеспечивает ему соответствие критерию «промышленная применимость».
Таблица 1Сравнительные технические характеристики жидкого углеводородного топлива, обработанного прототипом и заявленным устройством
Характеристика топлива
Единица измерения
Стандартное топливо
Обработанное топливо
с использованием прототипа
с использованием заявляемого устройства
Стандартное дизельное топливо ГОСТ 1667-78
Вязкость кинематическая
мм<sup>2</sup>/с
5
3,39
3,11
Плотность
г/см<sup>2</sup>
0,93
0,88
0,81
Температура вспышки
°С
88
79,2
70,2
Теплота сгорания низшая
кДж/кг
42633
43912
44520
Мазут Ф-5 ГОСТ 10585-75
Вязкость кинематическая
мм<sup>2</sup>/с
5
4,7
3,3
Плотность
г/см<sup>2</sup>
0,94
0,91
0,87
Температура вспышки
°С
80
78
72
Теплота сгорания низшая
кДж/кг
41454
41930
43710
Мазут марки М-100
Вязкость кинематическая
мм<sup>2</sup>/с
5,5
5,2
4,3
Плотность
г/см<sup>2</sup>
0,97
0,96
0,91
Температура вспышки
°С
85
82
77,2
Теплота сгорания низшая
кДж/кг
40240
40720
42900
Таблица 2Результаты испытаний прототипа и заявленного устройства на различных видах двигателей внутреннего сгорания.
Характеристики работы двигателя внутреннего сгорания при использовании обработанного топлива в сравнении со стандартным топливом
Обработанное топливо
с использованием прототипа
с использованием заявляемого устройства
Эксплуатационные характеристика работы двигателя внутреннего сгорания
Снижение расхода топлива, %
2-7
5-20
Уменьшение коэффициента избытка воздуха (λ), %
5
30
Уменьшение количества сажевых отложений, %
100
1000
Увеличение мощности, %
2-3
10
Увеличение ресурса эксплуатации, %
10-20
100
Выравнивание динамических нагрузок по цилиндрам, %
2-3
7
Уменьшение динамических нагрузок в камере сгорания, %
2-4
10
Уменьшение температуры отходящих газов (°С), %
1
3
Увеличение давления масла в системе смазки двигателя, %
5
25
Экологические показатели работы двигателя внутреннего сгорания (характеристика отходящих газов)
Уменьшение содержания кислорода (О<sub>2</sub>), %
100
300
Уменьшение содержания угарного газа (СО), %
150
600
Уменьшение содержания оксидов азота (NO<sub>ХХ</sub>), %
5
25
Уменьшение содержания углеводородов (СН), %
30
400
Уменьшение шумности работы двигателя (дб), %
5
15
Увеличение содержания углекислого газа (СО<sub>2</sub>), %
10
25
Таблица 3Результаты испытаний прототипа и заявленного устройства на энергетических установках (котельные агрегаты,  работающие на дизельном топливе и мазуте)
Характеристики работы энергетической установки при использовании обработанного топлива в сравнении с аналогичным стандартным топливом
Обработанное топливо
с использованием прототипа
с использованием заявляемого устройства
Эксплуатационные характеристика работы энергетической установки
Снижение расхода топлива, %
2-7
10-30
Уменьшение коэффициента избытка воздуха (λ), %
5
30
Уменьшение количества сажевых отложений, %
100
1000
Увеличение мощности, %
2-3
10
Увеличение ресурса эксплуатации, %
10-20
100
Увеличение КПД, %
0,6-2
7
Уменьшение потребления электрической энергии тяго-дутьевыми машинами, %
2-4
10
Уменьшение температуры отходящих газов (°С), %
2-5
10
Экологические показатели работы энергетических установок (характеристика отходящих газов)
Уменьшение содержания кислорода (O<sub>2</sub>), %
100
300
Уменьшение содержания угарного газа (СО), %
150
600
Уменьшение содержания оксидов азота (NO<sub>ХХ</sub>), %
5
25
Уменьшение содержания углеводородов (СН), %
30
400
Уменьшение содержания двуокиси серы (SO<sub>2</sub>), %
15
500
Увеличение содержания углекислого газа (СO<sub>2</sub>), %
2-5
30