Способ удаления кислорода из жидкого топлива Российский патент 2022 года по МПК B01J19/10 F02M27/08 F23K5/08 F23K5/18 

Изобретение относится к способам удаления кислорода, растворенного в жидком топливе и может применяться в системах подачи жидкого топлива в камеру сгорания авиационных двигателей в процессе их работы, в топливных магистралях нефтеперерабатывающих комплексов и иных топливных системах.

Известна гравитационная и центробежная сепарация. В случае гравитационной сепарации утилизировать пузыри возможно со скоростью, которой невозможно управлять без изменения настроек ультразвуковых колебаний, т.к. скорость задается параметрами жидкости, радиусом пузыря (который зависит от частоты и амплитуды колебаний) и ускорением свободного падения. Это приводит к ограничениям на конструкцию и область применения гравитационного сепаратора. Центробежный сепаратор концентрирует пузыри в относительно узкой зоне оси сепаратора, что усложняет процесс отбора газовой фазы, а также ограничивает темп утилизации пузырей, хотя и позволяет его варьировать с помощью изменения частоты вращения потока жидкости. Кроме того, на вращение жидкости требуется дополнительный отбор механической мощности.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ удаления кислорода из жидкого топлива, заключающийся в том, что предварительно в течение заданного времени воздействуют на жидкое топливо ультразвуком с образованием в топливе кавитационных пузырей, а затем подают топливо в камеру сгорания, причем величины частоты v и амплитуды р_m давления ультразвука выбирают из условия их соответствия неравенствам, заданным из условия схлопывания кавитационных пузырей, (патент RU 2742851, 2021 г.).

Существенным недостатком известного технического решения является сложность реализации источника ультразвука с повышенными величинами частоты v и амплитуды р_m звукового давления, поскольку для обеспечения таких характеристик требуется повышенная электрическая мощность. Кроме того возникает побочный эффект, характеризующийся тем, что ультразвук с высокими значениями частоты или амплитуды при длительном воздействии на жидкое топливо оказывает негативное влияние на состав топлива и на прочностные свойства топливной магистрали.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности процесса удаления растворенного в жидком топливе кислорода (деоксигенизации).

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в увеличении площади сбора пузырей кислорода и в обеспечении возможности управления скоростью их дрейфа.

Технический результат достигается за счет того, что в способе удаления кислорода из жидкого топлива одновременно в течение заданного времени воздействуют на жидкое топливо ультразвуком с образованием в жидком топливе кавитационных пузырей, и неоднородным электрическим полем, которое создают при помощи размещаемого в центре потока жидкого топлива внутреннего положительного электрода и ограничивающего поток жидкого топлива внешнего отрицательного электрода, причем воздействие ультразвуком и неоднородным электрическим полем осуществляют в направлении от центра к периферии потока жидкого топлива, величины частоты v и амплитуды р_т звукового давления ультразвука выбирают из условия их соответствия неравенству:

где:

R₀ - начальный радиус кавитационного пузыря, м;

ρ - плотность жидкого топлива, кг/м²;

р₀ - статическое давление жидкого топлива, Па.

а затем подают топливо в камеру сгорания.

Существенность отличительных признаков предлагаемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая изобретение обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.

Настоящее изобретение поясняется иллюстрацией, где изображена схема устройства для реализации способа удаления кислорода из жидкого топлива. На фигуре приняты следующие обозначения:

1 - внешний полый цилиндр;

2 - внутренний цилиндр;

3 - полость;

4, 5 - патрубки;

6 - полые трубки;

7 - шины.

Устройство для удаления кислорода из жидкого топлива содержит внешний низкопотенциальный отрицательный электрод, ограничивающий поток топлива, и внутренний высокопотенциальный положительный электрод, размещаемый в центре потока топлива. Внешний и внутренний электроды могут быть выполнены, например, в виде соответствующих коаксиально установленных внешнего полого цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2, размещенных вдоль по потоку топлива и образующих таким образом межэлектродное пространство в виде полости 3, причем внутренний цилиндр 2 одновременно является источником УЗ-колебаний. С противоположными торцами внешнего полого цилиндра 1 сообщены соответственно патрубок 4, предназначенный для ввода топлива, и патрубок 5, предназначенный для вывода топлива. При этом внешний полый цилиндр 1 выполнен съемным, а его внутренняя поверхность выполнена из металла, например Сu, Ni, Fe, или металлического сплава с низкой работой выхода отрицательных ионов. Внутренний цилиндр 2 закреплен на внешнем цилиндре 1 при помощи держателей, выполненных в виде полых трубок 6. Внутренняя поверхность внешнего цилиндра 1 и соответствующая внешняя поверхность внутреннего цилиндра 2 при помощи шин 7, размещенных в полых трубках 6, электрически связаны с электронным блоком, включающим умножитель напряжения (на чертеже не показан).

Способ осуществляется следующим образом.

В течение заданного времени на жидкое топливо воздействуют ультразвуком с образованием в жидком топливе кавитационных пузырей, и одновременно неоднородным электрическим полем при помощи внешнего полого цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2.

Признаком неоднородности поля является градиент напряженности поля gradE=dE/dr отличный от нуля во всем межэлектродном пространстве полости 3, причем чем больше градиент, тем выше неоднородность. Градиент поля зависит от радиуса кривизны высокопотенциального электрода (внутреннего цилиндра 2), и чем он меньше, тем выше градиент. При этом воздействие осуществляют в направлении от центра потока (высокопотенциального электрода) к его периферии (низкопотенциальному электроду), а величины частоты v и амплитуды р_m звукового давления ультразвука выбирают из условия их соответствия неравенству:

где:

R₀ - начальный радиус кавитационного пузыря, м;

ρ - плотность жидкого топлива, кг/м²;

р₀ - статическое давление жидкого топлива, Па.

В результате воздействия ультразвука в области максимального градиента ультразвукового давления на инородных включениях в топливе образуются зародыши пузырей, происходит их рост и отсутствует схлопывание, что позволяет повысить эффективность сепарирования образующихся пузырей при дальнейшей деоксигенизации топлива. В неоднородном электрическом поле возникает эффект, при котором пузыри поляризуются, приобретают дипольный момент и втягиваются в область ослабления поля. Жидкость движется в сторону усиления поля в направлении внутреннего цилиндра 2, вытесняя пузырь, который движется в противоположную сторону в направлении внешнего полого цилиндра 1, что используется для удаления пузырей из жидкости. В результате после удаления кислорода подают топливо в камеру сгорания (на чертеже не показана).

Поскольку внутренний цилиндр 2 располагается вдоль по потоку топлива коаксиально внешнему цилиндру 1 и внутренняя коаксиальная цилиндрическая поверхность последнего в полости 3 межэлектродного пространства представляет собой низкопотенциальный отрицательный электрод, на поверхности последнего в результате приэлектродных явлений (электрохимическая коррозия, осаждение оксида, кавитационная эрозия и т.д.) связывается кислород из пузырьков. Отрицательные ионы при разряде в виде пара поступают внутрь пузырьков и соединяются с молекулами кислорода в плазмохимических реакциях, образуя оксид металла. При этом образование модифицированного оксидного слоя представляет собой гомогенное окисление поступающих из области разряда паров металла с последующим осаждением его оксидов на внутренней поверхности внешнего цилиндра 1.

При использовании стандартного низкочастотного ультразвука 22000 Гц (длина волны λ ~ 6 × 10^{-2 м}), диаметр R пузыря ограничен диапазоном:

λ/4>R>R₀ или 1,5×10^-2m>R>10^-4 м

где R₀ - начальный радиус пузыря, м.

Приведем характерные величины параметров жидкого топлива на основе керосина:

η=ρν₁ ≈ 0.5⋅10^-3 кг/м⋅с - динамическая вязкость керосина;

ρ≈700 кг/м³ - плотность при 100°С,;

ν_l, η - соответственно кинематическая и динамическая вязкость;

σ=0, 02Н/м - коэффициент поверхностного натяжения.

Керосин - жидкий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε=2 в статическом режиме.

Сила F, действующая на диполь в неоднородном внешнем поле напряженностью Е, равна:

где дипольный момент равен:

поляризация Р для диэлектрического шара равна:

Таким образом:

Электрическая сила, действующая в неоднородном электрическом поле на поляризованный шар, движущийся со скоростью ν дрейфа, уравновешивается силой F сопротивления (силой Стокса):

Учитывая, что в данном случае в жидкости движется не сплошной шар, а пузырь, вводится безразмерный коэффициент 1.5 для оценки присоединенной массы в силе Стокса:

Таким образом, установившаяся скорость ν (скорость дрейфа) пузырька:

где начальный радиус R пузыря равен 0.1 мм, а напряженность Е для цилиндрической геометрии электрода:

Градиент поля:

где: Е₀=3⋅10⁶В/м - предельное значение напряженности пробоя в воздухе вблизи высокопотенциального электрода радиуса r₀=1 см. Если задать разность потенциалов между электродами U, то формула (1) принимает вид:

В общем случае, независимо от геометрической формы внешнего низкопотенциального отрицательного и внутреннего высокопотенциального положительного электродов, характеристики неоднородного электрического поля - произведение напряженности -gradU (градиент потенциала) на степень его неоднородности ΔU (лапласиан потенциала), выбирают исходя из необходимой скорости ν дрейфа пузыря (т.е. скорости его сепарации) и его радиуса R в текущей точке межэлектродного пространства с радиусом r:

Для указанных выше значений напряженности необходимо подать на электроды U~100kB. Из (1) следует, что чем крупнее пузыри, тем быстрее и соответственно эффективнее происходит их сепарация.

Таким образом, согласно (1), высокопотенциальный электрод (внутренний цилиндр 2) необходимо совместить с У3-излучателем для выравнивания профиля скорости дрейфа пузырька в межэлектродном пространстве, поскольку вблизи высокопотенциального центрального электрода неоднородность поля, как и само поле, выше. Это позволяет компенсировать наличие вблизи центральной оси полости 3 зародышей пузырей, т.к. они рождаются вблизи УЗ-излучателя и еще не успевают объединиться в более крупные конгломераты. В пузырьках, примыкающих к низкопотенциальному электроду радиуса r₁ (внешнему полому цилиндру 1), для связывания кислорода и испарения металла электрода организуется несамостоятельный газовый разряд, вызываемый внешним ионизатором. При этом условия зажигания несамостоятельного газового разряда обеспечиваются наличием капиллярных волн на поверхности пузыря, причем чем крупнее пузырь, тем сильнее неустойчивость его поверхности и тем больше амплитуда капиллярных волн.

Кроме того, необходимо отметить, что важным параметром для эксплуатации авиадвигателя является время работы данного устройства для удаления кислорода из жидкого топлива (деоксигенатора/сепаратора). Время должно быть сопоставимо с регламентируемым временем налета между заменами топливных фильтров в авиадвигателе, и составляет не менее 100 часов (Рыбаков К.В. и др. «Авиационные фильтры для топлив, масел, гидравлических жидкостей и воздуха», М., Машиностроение, 1982 г., стр. 56-59). Например, расход топлива на крейсерском режиме авиадвигателя ПС-90 равен 600 г/с. По этому времени, по типичному расходу топлива, и по степени растворимости кислорода в топливе при заданной геометрии внешнего электрода предельную толщину оксидного слоя Fе₂О₃ составит ~2 мм (масса накопленного оксида ~10 кг) с плотностью около 5000 кг/м³. Такая толщина оксидного слоя вполне приемлема для работоспособности устройства с точки зрения сужения поперечного сечения потока.

Когда внутренняя поверхность внешнего полого цилиндра 1 покрывается толстым оксидным слоем (толщиной от 1 до 5 мм), он становится неэффективным с точки зрения интенсивности приэлектродных процессов и подлежит замене, что осуществляется вследствие выполнения его съемным. Использованный электрод подлежит утилизации или восстановлению (удалению оксидного слоя и наращиванию израсходованного металла методами гальванопластики, плазменного напыления и т.д.).

Анализ показал, что устройство для удаления кислорода из жидкого топлива для авиадвигателя типа ПС-90 может быть выполнено в следующих основных габаритах: наружный диаметр 0,3-0,6 м, длина образующей цилиндра 0,25-0,5 м. Вес устройства, заполненного топливом, составит не менее 25-100 кг (сухой вес конструкции не менее 3-10 кг при толщине наружного электрода не менее 2×10^-3 м). Электрическая мощность составит около 1000 Вт.

Таким образом, использование одновременного воздействия на жидкое топливо ультразвука, величину частоты и амплитуды звукового давления которого выбирают из условия соответствия определенному неравенству, и неоднородного электрического поля, создаваемого от центра к периферии потока, обеспечивает повышение эффективности процесса удаления растворенного в жидком топливе кислорода за счет увеличения площади сбора пузырей кислорода и обеспечения возможности управления скоростью их дрейфа независимо от параметров ультразвукового давления.

Способ может применяться в системах подачи жидкого топлива в камеру сгорания авиационных двигателей в процессе их работы, в топливных магистралях нефтеперерабатывающих комплексов и иных топливных системах. Для удаления кислорода на жидкое топливо одновременно в течение заданного времени воздействуют ультразвуком с образованием в жидком топливе кавитационных пузырей и неоднородным электрическим полем. Поле создают при помощи размещаемого в центре потока жидкого топлива внутреннего положительного электрода и ограничивающего поток жидкого топлива внешнего отрицательного электрода, причем воздействие ультразвуком и неоднородным электрическим полем осуществляют в направлении от центра к периферии потока жидкого топлива, величины частоты и амплитуды звукового давления ультразвука выбирают из условия их соответствия заданному неравенству, а затем подают топливо в камеру сгорания. Технический результат изобретения заключается в увеличении площади сбора пузырей кислорода и в обеспечении возможности управления скоростью их дрейфа. 1 ил.

Способ удаления кислорода из жидкого топлива, заключающийся в том, что одновременно в течение заданного времени воздействуют на жидкое топливо ультразвуком с образованием в жидком топливе кавитационных пузырей и неоднородным электрическим полем, которое создают при помощи размещаемого в центре потока жидкого топлива внутреннего положительного электрода и ограничивающего поток жидкого топлива внешнего отрицательного электрода, причем воздействие ультразвуком и неоднородным электрическим полем осуществляют в направлении от центра к периферии потока жидкого топлива, величины частоты ν и амплитуды р_m звукового давления ультразвука выбирают из условия их соответствия неравенству:

где:

R₀ - начальный радиус кавитационного пузыря, м;

ρ - плотность жидкого топлива, кг/м²;

р₀ - статическое давление жидкого топлива, Па,

а затем подают топливо в камеру сгорания.