СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ Российский патент 2013 года по МПК B01F3/08 

Изобретение относится к области использования воды в качестве компонента горючего для двигателей и горелок, а также может быть использовано для создания коллоидных растворов в других областях техники: в химической промышленности; в строительстве; в сельском хозяйстве; в медицине; в фармакологии; при эмульгировании жидкостей с тяжелой и легкой фракцией, в том числе и для их стериализации и обеззараживания

Первый патент на применение воды в качестве компонента горючего получил изобретатель двигателей внутреннего сгорания Николаус Отто в конце XIX века.

В ходе развития этой области техники разработаны способы для циклического получения водотопливной эмульсии (ВТЭ), основанные на том, что диспергирование и смешение исходных фракций ВТЭ осуществляют за счет кавитационных эффектов, возбуждаемых с сопровожеденим ультразвуковых колебаний ("жидкостный свисток"), эжекции, центробежных сил, разгона воды и дробления ее о преграду. (Учебник "Водотопливные эмульсии в судовых дизелях", Л.1). Теплотворная способность эмульсий, созданных этими способами, позволяет их использовать в качестве альтернативного топлива только при низком содержании воды в качестве компонента горючего (5-10%), а на разгон струи жидкости для возбуждения кавитационных эффектов затрачивается большая механическая энергия.

Известен способ незначительного повышения эффективности ВТЭ (до 20% содержания воды) за счет использования при смешении фракций интенсивных встречных потоков (патент SU 1768790, Л.2).

Известен также способ повышения эффективности ВТЭ электрогидровоздействием, предложенный к использованию в описании работы системы подачи диспергируемых и смешиваемых фракций эмульсии в цилиндры дизельных двигателей (патент RU 2015399, Л.З).

В этой системе операционная последовательность создания ВТЭ ограничивается тем, что диспергатор, представляющий собой прочный сосуд с электродами, вначале заполняют жидким углеводородным топливом совместно с водой, затем в нем осуществляют высоковольтные электроразряды и используют для диспергирования и смешения физические явления и эффекты, ослабляющие связи молекулярных структур вещества и возникающие при электроразряде в жидкости в результате воздействия на компоненты ВТЭ: ударных волн с импульсным давленинием до 1000 атм. в возбужденных гидропотоках; интенсивной кавитации; тепловых ударов; высокочастотных вибраций среды; а также вибраций возбужденных электромагнитах полей (Л.4).

Предложенная операционная последовательность создания ВТЭ электрогидровоздействием не позволяет эффективно использовать энергию электрогидроударов для создания ВТЭ с высокой теплотворной способностью по следующим основным причинам:

1. Ударная энергия возбужденных гидропотоков в сосуде-диспергаторе с геометрически не заданной формой распределяется неравномерно и эффект диспергирования и смешения всей массы накопленных в сосуде фракций без внесения дополнительной элекроэнергии снижается.

2. При электрическом пробое ионопроводящей жидкости между электродами возникает кавитационная полость вокруг канала разряда, температура в котором поднимается до 40000 градусов. Состояние вещества в парогазовой рубашке полости является неоднородным и плавно переходящим от состояния плазмы к состоянию нормальной жидкости по мере удаления от оси канала. Плазменное состояние вещества вдоль оси канала образуется за счет выделения энергии расщепления молекул житкости потоками электронов и ионов, ускоренных высоковольтным электрическим полем и усиливается за счет окисления продуктов распада (Л.4). Присутствующая между электродами вода совместно с углеводородным топливом при пробое поставляет в плазму кавитационной полости кислород, который окисляет молекулы углеводородного топлива. Процентное содержание топлива в ВТЭ, поступающей в цилиндры двигателя снижается. Пропорционально снижается и теплотворная способность ВТЭ.

3. Водная (тяжелая) фракция дополнительно не обрабатывается для снижения потенциала ионизации и не способна восполнять потери углеводородного заряда.

4. Для дополнительного ослабления молекулярных связей в веществе тяжелой фракции необходимо увеличивать высоковольтное напряжение и мощность элекрогидроудара, при этом необходимо принимать дополнительные меры по обеспечению безопасности и снижается возможность работы в масштабе реального времени, без ожижения и накопления ВТЭ перед подачей в двигатель из-за инерционных процесов в электрическом высоковольтном оборудовании, а выигрыш в теплотворная способности ВТЭ может быть утерян по изложенной в п.2 причине.

Технические задачи, которые рационально решаются при осуществлении изобретения на основе предлагаемого способа, заключаются в увеличении теплотворной способности ВТЭ с повышенным содержением воды в качестве компонента горючего при сокращении энергетических затрат на создание ВТЭ, в повышении экологической безопасности и эксплуатационных качеств ВТЭ при ее использовании в качестве горючего для двигателей и горелок.

Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе создания водотопливной эмульсин, заключающемся в использовании энергии электрогидровоздействия, диспергирование и смешение способе создания водотопливной эмульсии, заключающемся в использовании энергии электрогидровоздействия, диспергирование и смешение исходных порций каждой фракции проводят в следующей операционной последовательности: электрогидроудары осуществляют в накопленной порции воды, в геометрическом месте расположения фокуса двух смежных, криволинейно вогнутых диэлектрических отражательных поверхностей, имеющих профиль формы поверхностей вращения второго порядка, образующих рабочие отсеки, обеспечивая этим равномерное распределение возбужденных гидропотоков по всему объему отсеков; фронты импульсов гидропотоков направляют с одной стороны от фокуса отражательных поверхностей в перфорированную перегородку с разными диаметрами и фасками отверстий, образующими простые сопла Лаваля, обеспечивая этим усиление процесса объемного кавитационого диспергирования накопленной порции воды, а с другой стороны от фокуса направляют в комбинированную перегородку, состоящую из двух перфорированных пластин, обжимающих упругую пластину таким образом, чтобы по всей перфорированной поверхности между совмещенными отверстиями сохранялся эффект упругости и обеспечивалась герметизация рабочих отсеков и защита порции накопленной углеводородной фракции от частичного выгорания при возбуждении электрогидроударов; затем в порции каждой фракции накапливают гидроударное давление, концентрируют его в направлении выпускного клапана за счет придания конусообразной геометрической формы накапливающему отсеку и пропускают сжатую порцию каждой фракции через отдельные каналы, оборудованные разгонными соплами Лаваля, изготовленными из диэлектрических материалов для сохранения достигнутого в рабочих отсеках уровня снижения потенциала ионизации молекулярных структур вещества смешиваемых фракций и переводящими фракции под накопленным давлением в высокодисперсную устойчивую смесь, ведущую себя как газовый поток за счет кавитационно-эжектирующих воздействий, дополнительно снижающих потенциал ионизации, при этом сопряжение осуществляют вводом потока с выхода канала с легкой, углеводородной фракцией в зону разряжения входных сопел Лаваля с тяжелой, водной фракцией, обеспечивая этим условия эффективного эмульгирования фракций и образования новых аллотропных форм молекулярных компонент ВТЭ, увеличивающих их теплотворную способность и экологическую безопасность при использовании в качестве топлива для двигателей и горелок.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается также и тем, что поток, по меньшей мере, тяжелой фракции в зоне сопряжения каналов пропускают через кольцевую щель и полость с образованием завихрений потока, инициирующих в сопряженном потоке высокочастотные (ультразвуковые) колебания, обеспечивая этим усиление процесса преобразования смешиваемых 41РЗКЦИЙ в поток туманообразной смеси, склонной к коллоидным реакциям.

Технический результат достигается и тем, что эффект образования в ВТЭ новых, аллотропных молекулярных форм топлива усиливают комплексным воздействием на сформированные электрогидроударами потоки смешиваемых фракций многополюсными магнитными полями (Л.5), импульсными широкополосными электромагнитными полями (Л. 5,6) и тепловым воздействием (Л.5).

Технический результат достигается и тем, что для резонансного воздействия на глобулы атомов и молекул вещества смешиваемых фракций широкополосные электромагнитные поля формируют с использованием импульсов электрической схемы формирования электрогидроударов.

Основные фрагменты технической реализации изобретения проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.

На Фиг.1 изображена электрическая схема для воспроизведения электрогидроудара и ее комплектующие: R-зарядное сопротивление; Тр-трансформатор; V-выпрямитель; С-конденсатор; ОИ-обостритель импульсов; Э-электроды; РП-рабочий (искровой) промежуток в жидкости.

На Фиг.2 изображена схема совмещенных графиков импульсов напряжения (U) на электродах и импульсов разрядного тока (I) при обычном исполнении ОИ (воздушный разрядник) и в экспериментальном исполнении (Iэ).

На Фиг.3 изображен механизм формирования резонансных воздействий для ослабления молекулярных связей вещества диспергируемых и смешиваемых фракций: F-частота следования обостренных импульсов тока, возбуждающих электромагнитное воздействие; Δ Fш - спектр частот возбужденных широкополосных электромагнитных колебаний; ΔFr-частотный диапазон электромагнитных осцилляции молекулярных глобул диспергированного вещества смешиваемых фракций, подверженных резонансному воздействию.

На Фиг.4 изображена геометрическая форма катеноида.

На Фнг.5 изображен технический эскиз варианта реализации предлагаемого способа создания ВТЭ.

Диэлектрические рабочие отсеки 1 и 2 электрогидравлической форсунки выфрезерованы по копиру, имеющему форму катеноида (Фиг.4). В зависимости от эксплутационного назначения форсунки внутренние концы электрогидравлических электродов 3 и 4 расположены на заданном расстоянии от центра катеноида в плоскости Z или Х (У) с возможностью его регулирования для настройки электрической схемы возбуждения электрогидроудара. На Фиг.5 изображен вариант форсунки с расположением электродов 3 и 4 в плоскости Z.

По этому варианту накопительные отсеки 5 и 6 выфрезерованы из диэлектрика по копиру, имеющему форму полусферы с конусовидным образованием, смещенным к основанию, диаметр которого равен диаметру основания катеноида. В верхней части накопительные отсеки 5 и 6 снабжены впускными клапанами 7 и 8. Рабочий отсек 1 состыкован с накопительным отсеком 5 через перфорированную перегородку 9. Отверстия в которой выфрезерованы по копиру, имеющему профиль формы простого сопла Лаваля таким образом, чтобы прочность конструкции перегородки 9 достигалась за счет разности диаметров внешних и внутренних проходов сопел Лаваля, а рабочий отсек 2 состыкован с накопительным отсеком 6 через комбинированную перегородку 10, состоящую из двух, перфорированных под простые полусопла Лаваля пластин 11 и 12, обжимающих упругую пластину 13 таким образом, чтобы между всеми, совмещенными для образования сопел Лаваля, отверстиями обеспечивался упругий мембранный эффект и осуществлялась надежная герметизация между 6-м и смежными отсеками 1, 2, 5,

Отсеки 1, 2, 5 через впускной клапан 7 под давлением заполняют порцией тяжелой фракции-воды и осуществляют в них элекрогидроудары. Отсек 6 предназначен для синхронного накопления в нем под давлением через впускной клапан 8 порции легкой фракции-углеводородного топлива и осуществления в ней кавитирующих гидроударов, возникающих при отражении гидропотоков упругими частями пластины 13 в 2-м рабочем отсеке. В конусовидных образованиях накопительных отсеков 5 и 6 выполнены проточки 14 и 15 в виде сопел Лаваля, выходы которых оборудованы трапециевидными клапанами 16 и 17, образующими при открытии кольцевые щели 18 и 19. Проточка 14 служит входом разгонно-каватирующего канала тяжелой фракции-воды (РКВ), состоящего из чередующихся насадок- сопел Лаваля 20 и 21, а проточка 15 служит входом разгонно-кавитирующего канала легкой, углеводородной фракции (РКУ) с соплом Лаваля 22. Полость 23 в зоне сопряжения каналов совместно с кольцевой щелью 18 образуют высокочастотный вибратор смешиваемых частиц ВТЭ. Позициями N-S, S-S, N-N обозначены варианты компоновки магнитных воздействий различной полярности в разгонно-кавитирующих каналах, позицией ШЭМ - воздействий широкополосными электромагнитными полями, позицией ТВ - зона термических воздействий.

Механизм создания ВТЭ заключается в следующем.

После осуществления электроразряда между электродами 3 и 4 развивается кавитационная полость, резко создающая в рабочих отсеках 1 и 2 мощный (до 1000 атм) градиент давлений, вовлекающий молекулярные структуры воды в разрушающие их гидропотоки, рупорно-нормированные отражательными поверхностями рабочих отсеков по направлению распространения в сторону в пер4юрированной перегородки 9 и в противоположную сторону, ограниченную комбинированной перегородкой 10. За счет этих давлений в накопительном отсеке 5 соплами Лаваля перфорированной перегородки 9 возбуждается интенсивный объемный кавитационный процесс, который поддерживается разгонными соплами Лаваля 20 и 21 на всем пути движения диспергируемых молекулярных структур воды по проточному каналу РКВ и усиливается за счет механизма разрушения молекулярных связей, обусловленного прохождением потока в зонах действия ультразвуковых колебаний потока в полости 23 и внешних магнитных, электромагнитных и тепловых полей.

В результате комплексных воздействий поток с водной фракцией на выходе сопла Лаваля 21 без смешения с углеводородной фракцией структурируется как поток, в виде туманообразных мономолекул воды с ослабленным потенциалом ионизации.

Одновременно, после осуществления электрогидроудара, упругими элементами 13 комбинированной перегородки 10 из отсека 6 в канал РКУ трансформируется энергия гидроудара, возбуждающая кавитацнонно-диспергирующий процесс движения накопленной порции по этому каналу, оснащенному зонами дополнительного воздействия для снижения потенциала ионизации молекулярных структур углеводородной фракции.

Под действием давления кавитирующих гидропотоков и вакуумно-всасывающего механизма в зоне полости 23 происходит импульсное смешение потоков ВТЭ, сопровождающееся воздействиями ультразвуковых колебаний, возникающих за счет образования вихревых потоков при эжектировании порции водной фракции из кольцевой щели 18 открытого клапана 16 в полость 23.

В процессе дальнейшего ускоренного движения смешиваемых фракций по каналу РКВ, в ходе последовательных кавитационно-диспергирующих воздействий, совмещенных с воздействиями на глобулы молекул магнитных полей, резонансных электромагнитных полей, а также тепловых полей, в зонах этих воздействий, защищенных от рекомбинации ослабленных молекулярных связей диэлекрической оболочкой, усиливается процесс диссоциации молекул вещества смешиваемых фракций и образования новых, аллотропных форм ВТЭ, которые обладают повышенной теплотворной способностью и экологической безопасностью потому, что при сгорании ВТЭ полностью сохраняется теплотворная способность накопленной порции углеводородного топлива и добавляется теплотворная способность, возбужденных при возгорании углеводородов, процессов сгорания водорода по реакциям:

$$2H_2+O_2=2H_{2}O;\text{ (1)}$$

$$4H^{\oplus }+O_2={(2H_{2}O)}^{\oplus };\text{ (2)}$$

при этом количество токсичных компонент типа СО₂ и СН снижается по тому, что заданная индикаторная мощность достигается при сгорании меньшего количества углеводородов по реакциям:

$$HnCk+y(O_2)+g(N_2)+---\Rightarrow C{O}_2+CH+CO+H_{2}O+CHO+C+NO+N{O}_2+---(3)$$

а количество токсичных компонент типа NO и NO₂ снижается потому, что при сгорании водорода по реакциям (1) и (2) его частично окисляет кислород, высвобожденный из ослабленных водных молекулярных структур, а подача воздуха может быть пропорционально снижена.

Эффективность сгорания топлива по реакциям (1) и (2) в предлагаемом изобретении может быть дополнительно повышена за счет конденсации паров воды с ослабленными молекулярными связями по реакциям (1), (2), (3) и ее использования для создания ВТЭ.

Использованные источники информации.

1. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988 г,

2. Патент SU 1768790 A1, F/02 М 25/02, 15.10.92., бюл. №38.

3. Патент RU 2015399 C1, 5F/02M 25/02, 06.30.94.

4. Юткип Л.А. Электрогидравлический эффект. М.: Машгиз, 1955 г.

5. Андреев Е.И.и др. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000 г.

6. Акимов А.Е. Горизонты науки и технологий. М.: Фолиум, 2000 г.

Изобретение относится к области приготовления эмульсий и может использоваться при производстве водотопливных эмульсий для двигателей и горелок, а также для создания коллоидных растворов в других областях техники: в химической промышленности, в строительстве, в сельском хозяйстве, в медицине при эмульгировании жидкостей с тяжелой и легкой фракцией, в том числе и для их стерилизации и обеззараживания. Создание водотопливной эмульсии осуществляют электрогидровоздействием. Электрогидроудары осуществляют в рабочем отсеке с накопленной порцией воды, и направляют возбужденные гидропотоки в два канала. Один ноток пропускают через перегородку с отверстиями в виде сопла Лаваля. Гидропотоки в канале с легкой углеводородной фракцией образуют за счет трансформации энергии элекрогидроудара через перегородку, состоящую из двух пластин, обжимающих упругую пластину. Сжатую порцию каждой фракции пропускают через отдельные каналы с разгонными соплами Лаваля. Легкую фракцию вводят в зону разрежения входных сопел Лаваля с тяжелой фракцией. Технический результат состоит в повышении эффективности эмульгирования водотопливной смеси при сокращении энергетических затрат. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ создания водотопливной эмульсии электрогидровоздействием, отличающийся тем, что диспергирование и смешение исходных порций каждой фракции эмульсии проводят в следующей операционной последовательности: электрогидроудары осуществляют в накопленной порции воды, в геометрическом месте расположения фокуса двух смежных отражательных поверхностей, имеющих профиль формы поверхностей вращения кривых второго порядка и образующих рабочие отсеки для каждой смешиваемой фракции; фронты импульсов давления возбужденных гидропотоков направляют с одной стороны, от фокуса отражательных поверхностей в перфорированную перегородку с разными диаметрами и фасками отверстий, образующими простые сопла Лаваля, а с другой стороны в комбинированную перегородку, состоящую из двух перфорированных пластин, обжимающих упругую пластину таким образом, чтобы по всей перфорированной поверхности между совмещенными отверстиями сохранялся эффект упругости и обеспечивалась герметизация; затем в порциях каждой фракции накапливают гидроударное давление, концентрируют его в направлении выпускного клапана за счет придания конусообразной формы накапливающему отсеку и пропускают сжатую порцию каждой фракции через отдельные каналы, оборудованные разгонными соплами Лаваля, изготовленными из диэлектрических материалов, при этом сопряжение каналов для смешения фракций осуществляют вводом потока с выхода канала с легкой, углеводородной фракцией в зону разрежения входных сопел Лаваля канала с тяжелой, водной фракцией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере поток тяжелой фракции в зоне сопряжения каналов пропускают через кольцевую щель и полость.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на смешиваемые потоки комплексно воздействуют многополюсными магнитными полями, импульсными широкополосными электромагнитными полями, а также тепловым воздействием.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что широкополосные электромагнитные поля формируют с использованием обострителей импульсов электрической схемы формирования электрогидроударов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от эксплуатационного назначения водотопливной эмульсии: сжижение и подача в топливный бак, подача в горелку, подача в карбюратор или впрыскивание под давлением, количественное соотношение смешиваемых фракций регулируют изменением объемов отсеков, разделенных комбинированной перегородкой, изменением частоты, напряжения и мощности электрогидроударов, впрыском дополнительной порции углеводородного топлива в зону сопряжения каналов.