CN101408142A - 燃烧气化燃料而产生动力的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种从液态燃料源产生动力的设备。该设备包括：至少一个有一入口端部和一出口端部的毛细流动通道，该入口端部与液态燃料源成流体连通；一个沿该至少一个毛细流动通道安置的热源，该热源能将毛细流动通道中的液态燃料加热到将其至少一部分从液态变为气态的水平，并从该至少一个毛细流动通道的出口输送一股基本上气化的燃料；一个用于燃烧该基本上气化的燃料的蒸汽和空气的燃烧室，该燃烧室与该至少一个毛细流动通道的出口端部连通；以及一个可以操作而将燃烧室中燃烧所释放的热量转换成机械动力或电力的转换装置。该转换装置能够产生高达5,000瓦的机械动力或电力。

Description

燃烧气化燃料而产生动力的设备和方法
技术领域
本发明涉及产生动力的设备及其使用方法。一种优选设备能够包括一个向输出高达510kg-m/sec(5,000瓦)的机械动力和/或电力的动力转换装置供给热量的供应液态燃料的燃烧室。
背景技术
最近几年，对边远地区服务的便携式电子设备、通讯装置、医药设备和其它装备提供动力的需求不断增长，增加了对高效的移动式动力系统的要求。这些用途要求动力源能提供高功率和高的能量密度，同时还要求尽可能小的体积和重量、低的排出物和低成本。
迄今为止，蓄电池是供给便携式能源的主要机构。但是，由于再充电所需的时间，已经证明蓄电池对于连续使用的用途是不方便的。此外，便携式蓄电池一般限于产生几毫瓦至几瓦的功率，因而不能考虑用于高水平的轻量的移动式的动力生产的要求。
也已用到内燃机作动力的小型发电机，不管是汽油作燃料还是柴油作燃料。但是，此类发电机的噪声和排出物的特性使它们完全不适用于范围广泛的移动式动力系统并对室内用途不安全。虽然用高能量密度的液态燃料做动力的传统的热发动机提供尺寸方面的优点，但热力学温标的使用和成本的考虑往往喜欢将其用于较大的动力站。
鉴于这些因素，还缺乏约5.1～51kg-m/sce(50～500瓦)范围的动力系统。而且，为了采用高能量密度液态燃料的优点，需要能够使用低燃料供给速率的改进的燃料制备和输送系统。此外，此类系统必须也能进行具有最少排出物的高效燃烧。
美国专利No.5,127,822中提出一种其中用超声雾化装置来雾化燃料的燃烧装置。按照该专利，提出的雾化器能以细雾滴形式向燃烧室供应燃料，从而加速燃料的气化和减小获得可接受的燃烧效率所需的燃烧器停留时间。
美国专利No.5,127,822提出一种以5cc/分钟的速度供应燃料和将燃料雾化成具有40μm的Sauter平均直径(SMD)的液滴的装置。美国专利No.6,095,436和No.6,102,687中提出了其它雾化技术。
美国专利No.4,986,248中提出了一种将燃料供应到内燃机的超声雾化器。
美国专利No.4,013,396提出一种燃料气溶胶化的设备，其中将碳氢化合物燃料(如汽油、燃料油、煤油等)配送入冷凝区域，预定形成一种尺寸相当均匀的直径小于1μm的液滴的气溶胶化的燃料。
该气溶胶化的燃料预定与空气混合而提供一种所要的空气-燃料比，并在加热的燃烧器的燃烧区中燃烧，一个热交换器将热量从该燃烧的燃料转移到载热介质如空气、气体或液体。
美国专利No.5,472,645中提出一种燃料气化装置，据说能解决与内燃机中燃料气溶胶的不完全燃烧有关的问题。按照美国专利No.5,472,645，因为气溶胶燃料液滴不会在内燃机中点火和完全燃烧，所以未燃烧的燃料残余物从发动机中作为污染物如碳氢化合物(HC)、一氧化碳和带有伴生的氮氧化物(NOx)的醛类而从发动机排出。美国专利No.5,472,645的建议预期能通过将液态燃料破碎成含有带高分子量的碳氢化合物的某些未气化的气溶胶的气化元素或气相元素的空气-燃料流而改善气溶胶燃料的燃烧，据说较轻的燃料蒸馏物迅速蒸发成气相，与空气混合而续入内燃机，而较重的燃料部分据说在其离开一旋流室涡流装置之前变为气相的气态而进入发动机的吸气歧管。
美国专利No.4,344,404提出一种向内燃机或燃烧器供应与空气混合的气溶胶燃料液滴的设备，据说燃料液滴的粒径为0.5～1.5μm。气溶胶形式的液态燃料预定与空气混合，空气/燃料比为约18∶1，从而从发动机产生极少的CO、HC和NOx。
已经提出各种装置，用来将燃料加热到成为被燃烧器燃烧的气态燃料。例如参见美国专利No.4,193,755；No.4,320,180；No.4,784,599。
美国专利No.3,716,416公开一种预期用于燃料电池系统中的燃料计量装置。该燃料电池系统预期是自动调节的，在一预定水平产生电力。该提出的燃料计量系统包括一个毛细管流动控制装置，用于根据燃料电池的电力输出而调节燃料流量，而不是为随后的燃烧提供改善的燃料制备。相反，燃料预定送入燃料重整炉，以便转换为H2，然后送入燃料电池。在一优选实施例中，毛细管用金属制成，毛细管本身用作电阻器而与燃料电池的电力输出端成电接触。因为蒸汽的流动阻力大于液体，所以当电力输出增大时，流量受到节制。建议使用的燃料包括通过加热易于从液相变为汽相而自由地通过毛细管流动的任何流体。气化似乎以在汽车发动机中产生汽锁的方式而达到。
美国专利No.6,276,347提出一种达到液体的雾化或气化的超临界或近超临界的雾化器和方法。据说美国专利No.6,276,347的超临界雾化器能利用重燃料来开动通常燃烧汽油的小型轻量的低压缩比的火花点火活塞发动机。雾化器预期通过使燃料移向其超临界温度和将燃料释放入与燃料关联的相图中气态稳定区上一低压区中的燃料而从液态燃料或似液态燃料产生细液滴喷雾，从而产生燃料的细雾化或气化。公开的用途为内燃机、科学设备、化学工艺、废物处理控制、清除、蚀刻、昆虫控制、表面改性、增湿和气化。
为了尽可能减小分解，美国专利No.6,276,347提出将燃料保持在超临界温度以下，直到通过雾化限流器的远端。对某些用途，需要仅仅加热限流器的尖端来尽可能减小化学反应或沉淀的可能性。也就是减少与杂质、反应剂或燃料流中的物质有关的问题，否则这些物体往往会从溶液中出来而堵塞管线和过滤器。在或近超临界压力处工作建议该燃料供应系统在21.1～56.2kg/cm2(300～800psig)范围内操作。虽然使用超临界压力和温度可以减小雾化器的堵塞，但似乎需要使用一个相对地较贵的燃料泵以及能够在这些升高压力下操作的燃料管线、配件等。
美国专利No.4,638,172；No.5,836,150；No.5,874,798；No.5,932,940；No.6,109,222；No.6,198,038中提出了动力转换装置。其中，美国专利No.4,638,172提出一种操作上联接在小型内燃机上的直流发动机，据说该发动机的输出为4V和150mA到110V和大于250mA之间。美国专利No.5,836,150提出一种微推力和热发生器，该发生器能用作微机加工的涡轮发动机的推力源。美国专利No.5,874,798提出一种微涡轮发动机装置，其中将空气送入该装置来发电，以用于便携式电子产品。美国专利No.5,932,940提出一种包括一燃料室的微燃气轮机，用于驱动一微型发动机，该发动机预期输出1.0～3.1kg-m/sec(10～30瓦)电力，用来代替便推式电子装置中的蓄电池而产生同一重量和体积的蓄电池的电力的20倍(例如代替用于便携式计算机、无线电、电话、电动工具、加热器、冷却器、军事用途等)。美国专利No.6,109,222提出一种微型热发动机，预期发电1.0～3.1kg-m/sec(10～30瓦)其中通过一个周期燃烧过程来使自由活塞往复运动。
发明内容
在一方面，本发明针对一种从液态燃料源产生动力的设备，包括：
(a)至少一个有一入口端部和一出口端部的毛细流动通道，所述入口端部与该液态燃料源成流体连通；
(b)一个沿所述至少一个毛细流动通道安置的热源，所述热源将以将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到一个足以将其至少一部分从液态变为气态的水平并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部输送一股基本上气化的燃料流；
(c)一个用于燃烧该基本上气化的燃料和空气流的燃烧室，所述燃烧室与所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部连通；以及
(d)一个用以将所述燃烧室中燃烧所释放的热量转换为机械动力或电力的转换装置，所述转换装置包括一个装有发电机的斯特林发动机，其中所述转换装置输出高达5000瓦电力。
在另一方面，本发明指向一种产生动力的方法，包括：
(a)向至少一个毛细流动通道供应燃料；
(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液态燃料而使一股基本上气化的燃料流通过该至少一个毛细流动通道的出口；
(c)在燃烧室中燃烧该气化燃料；以及
(d)利用一转换装置将由该燃烧室中气化燃料的燃烧所产生的热量转换成机械动力和/或电力，该转换装置包括一个装有输出高达5000瓦电力的发电机的斯特林发动机。
为了解决与加热液态燃料期间形成的沉积物有关的问题，本发明的另一方面提供一种用于清除设备操作期间形成的沉积物的方法和机构。
附图说明
现在参照附图仅作为例子来参考本发明的优选形式而更详细地描述本发明，附图中：
图1用部分截面图表示一种燃料气化装置，该装置包括一个按照本发明的一个实施例的毛细流动通道；
图2表示一种能够用于实施图4的装置和系统的多毛细管配置；
图3表示图2中所示装置的端视图；
图4表示一种能用于实施本发明的在多毛细管配置中气化燃料和氧化沉积物而输送基本上气化的燃料的装置的细节；
图5表示一种将燃料和任选的氧化气体输送到一毛细流动通道的控制装置的示意图；
图6表示一种利用燃烧热来预热液态燃料的配置的示意图；
图7是利用一根可以移动的杆来从毛细流动通道清除沉积物的燃料气化装置的另一实施例的侧视图；
图7A是图7实施例的侧视图，表示用该可以移动的杆来从毛细流动通道清除完全结合在该通道内的沉积物；
图8是按照本发明的一种发电设备的示意图，其中一台斯特林发动机用于根据本发明的一个实施例而发电；
图9表示一种按照本发明的另一实施例的动力产生装置的部分截面示意图；
图10是一种液滴分布图线，表示液滴的百分率作为液滴直径的函数，用来证实本发明的燃料气化装置的优点；
图11是两种不同尺寸的毛细管的燃料生产率对燃料压力的图线，这些毛细管能用于按照本发明输送气化燃料；
图12是汽油质量流作为时间函数的图线，表示通过使用本发明的氧化清除方法而获得的操作优点；
图13是一种商品级汽油的燃料流动速率对时间的图线；
图14是比较各种汽油的燃料流动速率对时间的图线；
图15是比较一种喷气发动机燃料和No.2柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线；
图16是一种无添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线，表示氧化清除的效果；以及
图17是比较一种无添加剂的柴油燃料和一种含抗污垢添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间的图线。
具体实施方式
现在参考图1～17中例示的实施例，图中相同的标号用于表示相同的部件。
本发明提供一种有利地燃料高能量密度的液态燃料的产生动力的设备，在一优选实施例中，该设备包括至少一种连接于燃料源的毛细管尺寸的流动通道、一个沿该流动通道安置的用于将该流动通道中的液态燃料加热到足以从该流动通道的出口输送一股气化燃料流的热源、一个在其中燃烧该气化燃料的燃烧室，以及一个将该燃烧室中通过燃烧产生的热量转化为机械动力和/或电力的转换装置。
该流动通道可以是一种由一电阻加热器加热的毛细管，该管的一段由通过其间的电流加热。该毛细流动通道的特征也在于有一低的热惯性，因此该毛细通道能非常迅速地达到所需的燃料气化温度，如在2.0秒内，优选地在0.5秒内，更优选地在0.1秒内。该毛细管尺寸的流体通道最好在一毛细管主体如一个单独的或多层的金属、陶瓷或玻璃主体内形成。该通道有一向入口和出口开孔的封闭体积，入口和出口之一可以向该毛细管主体外部开孔，或可以连接在同一主体或另一主体内的另一通道上或配件上。该加热器可以由该主体的一部分如一段不锈钢管形成，或者该加热器可以是包括于毛细管中的或毛细管上的分立的一层电阻加热材料或电阻加热丝。
该流体通道可以是包括一个向入口和出口开孔而其间可以通过流体的封闭体积的任何形状。该流体通道可以有任何所要的截面，一种优选的截面是直径均匀的圆形。其它毛细流体通道截面包括非圆形如三角形、正方形、矩形、椭圆形或其它形状，而流体通道的截面不需均匀。该流体通道可以直线延伸或非直线地延伸，也可以是一个单独的流体通道或多路径的流体通道。
一个毛细管尺寸的流动通道可以有一液压直径，该液压直径优选地小于2mm，更优选地小于1mm，最优选地小于0.5mm。该“液压直径”是一个用于计算通过一流体承载元件的流体流动特性的参数，并定义为该流体承载元件的流动面积的四倍除以与该流体接触的固体边界的周边(通常称为“润湿”周边)。对于具有圆形流动通道的管子，该液压直径和实际直径是等效的。在毛细通道被金属毛细管限定的情况下，该管子可以具有0.01～3mm的内径，优选的为0.1～1mm，最优选的为0.15～0.5mm。或者是，该毛细通道可以用通道的横截面积来限定，该面积可以是8×10-5～7mm2，优选地为8×10-3～8×10-1mm2，更优选的为2×10-3～2×10-1mm2。对于给定的用途，将适用一根单独的或多根毛细管、各种压力、各种毛细管长度、加在毛细管上的各种热量以及各种不同的形状和/或截面积。
该转换装置可以是用于将热量转换为机械动力或电力的斯特林发动机、微涡轮机或其它合适的装置，带一任选的能产生高达约510kg-m/sec(5000瓦)电力的发电机。该液态燃料可以是任何种类的碳氢化合物燃料，如喷气发动机燃料、汽油、煤油或柴油、一种氧化剂如乙醇、甲醇、甲基叔丁基醚，或任何这些燃料的混合物，将这些燃料供给到流动通道的压力优选地小于7.0kg-m/sec(100psig)，较优选地小于3.5kg-m/sec(50psig)，更优选地小于0.7kg-m/sec(10psig)，最优选地小于0.4kg-m/sec(5psig)。该气化燃料可以混有空气而形成气溶胶，其液滴平均粒径为25μm或更小，最好10μm或更小，从而允许洁净而有效的点火能力。
按照本发明的一个优选实施例，液态燃料通过一根加热的毛细管(如小直径玻璃管、陶瓷管或金属管，例如内径3mm或更小的不锈钢管)输送到一个其中气化燃料混有预热的或未加热的空气的燃烧室中。该气化燃料可以混有环境温度的空气，后者引入导向燃烧室的空气供应通道中。或者是，该气化燃料可以混有已预热的空气，例如通过一个用从燃烧室排出的废气的热量预热空气的热交换器。如果需要，该空气在与气化燃料混合之前可以例如通过一个鼓风炉来增压。
在预热的毛细通道中气化液态燃料期间，碳和/或重碳氢化合物的沉积物可能累积在毛细管壁上，从而可能严重限制燃料流动，最终可能导致堵塞毛细流动通道。这些沉积物累积的速率是毛细管壁温度、燃料流动速率和燃料类型的函数。虽然相信燃料添加剂可能有利于减少此种沉积物，但如果堵塞发展，本发明的燃料气化装置有利地提供一种用于清除操作期间形成的沉积物的机构。
按照本发明，空气-燃料混合物在燃烧室中燃烧而产生转换为机械动力或电力的热量。在燃烧之前，产生动力的装置提供可靠的液态燃料输送和气化燃料的雾化。
当气化燃料与环境温度下的空气混合而在小于7.0kg-m/sec(100psig)、优选地小于3.5kg-m/sec(50psig)、较优选地小于0.7kg-m/sec(10psig)，更优选地小于0.4kg-m/sec(5psig)的液态燃料压力下操作时，该加热的毛细流动通道能形成一种小燃料液滴(如25μm或更小，最好10μm或更小)的气溶胶。本发明有能力在低的空气供应压力(如小于50.80mm H2O(2英寸水))、快速起动、控制污垢、堵塞和粘住，在减小的废气排放水平下操作，以及只需低的点火能量就能点燃燃料-空气混合物。
本发明的设备的一个优点是其点火能量需求特征。最小的点火能量这一术语用于描述能够点燃一种雾化的燃料/空气混合物的容易程度，通常采用一种如火花点火源的点火器。本发明的装置能够提供的气化燃料和/或气溶胶其液滴的Sauter平均直径(SMD)小于25μm，优选地小于10μm，更优选地小于5μm，这样细的气溶胶有利于改善燃气轮机用途中的起动特性和火焰稳定性。此外，能对SMD值等于或小于25μm的燃料非常显著地减少最小点火能量。例如，如Lefebvre的《燃气轮机的燃烧》(半球出版公司，1983年)一书的252页中讨论的，当SMD减小时，与一种雾化的燃料/空气混合物可以点火的容易程度有关的术语Emin剧烈变小。最小点火能量粗略地正比于气溶胶中燃料液滴的Sauter平均直径(SMD)。SMD是一种其表面对体积比等于整体喷雾的表面对体积比并与该喷雾的质量输送特性有关的液滴的直径。在Lefebvre一书中示出，对于各种燃料，Emin和SMD之间的关系粗略地近似于下列关系式：
log Emin＝4.5(log SMD)+K；
式中，Emin以mJ测量，SMD以μm测量，而K为与燃料种类有关的常数。
按照Lefebvre所述，重燃料油在115μm的SMD有约800mJ的最小点火能量，在50μm的SMD有约23mJ的最小点火能量。异辛烷在90μm的SMD有约9mJ的最小点火能量，在40μm的SMD有约0.4mJ的最小点火能量。对于柴油燃料，当SMD等于100μm时，Emin为约100mJ。SMD减小30μm，Emin会减小约0.8mJ。可以理解，对小于25μm的SMD值，点火系统的需求将显著减小。
已经发现，本发明的动力转换设备显示高度需要的低点火能量要求。低点火能量要求通过减小全系统重量和因减小与点火系统有关的寄生动力损失而使动力输出最长化，从而改进本发明的产生动力的优点。
鉴于上述优点，最好用低能火花点火装置作为动力产生设备的点火器。最好是能够提供约5～7mJ范围内的火花能量的小型压电点火装置。此类装置已知简单、紧凑而不产生附加的负载问题。由本发明的设备提供的超细燃料气化与低能压电点火装置配合而提供优越的点火特性。
已知液态燃料燃烧装置的排放特性对燃料液滴粒径分布的品质是敏感的。高品质的细喷雾促进燃料蒸发并增强混合，由此减小了对富燃料燃烧的需要并减少了常常伴随的烟灰的产生。小液滴跟随气流流线并不易撞击燃烧器壁。相反，大液滴能撞击燃烧器壁并导致CO和碳氢化合物的排放与产生碳沉积物。在火焰受高度限制的装置中，该问题更值得注意。
在气化燃料燃烧期间产生的热量可以转换为电力或机械动力。例如，该热量可以转换为任何需要量的电力或机械动力，如高到510kg-m/sec(5000瓦)的电力或机械动力。与只能提供几小时的约2.0kg-m/sec(20W)的便携式蓄电池技术或产生大于102kg-m/sec(1KW)的噪音大、排放物高的内燃机/发电机相比较，按照本发明优选实施例的设备提供一种几百瓦范围的安静、清洁的能源。
为了将本发明的燃烧室中产生的热量转换为电力或机械动力，存在各种技术。例如，在2.0～510kg-m/sec(20～5000)范围内，至少可以考虑下列技术：将热量转换为可用于驱动发电机的机械动力的斯特林发动机，可用于驱动发电机的微燃气轮机，直接将热量转化为电力的热电装置，以及直接将辐射能转换为电能的热光伏电池。
热电装置提供安静、耐用的优点，与外部燃烧系统联接，能提供用作低排放和灵活的燃料的潜力。美国专利No.5,563,368；No.5,793,119；No.5,917,144；No.6.172,427中公开了那些可用作转换装置的各种类型的热电发生器，其公开内容参考合并于此。
热光伏电池具有安静的优点，能提供中等功率密度，与外部燃烧系统联接，能提供用作低排放和灵活的燃料的潜力。美国专利No.5,512,109；No.5,753,050；No.6,092,912；No.6,204,442中公开了那些可用作转换装置的各种类型的热光伏电池，其公开内容参考合并于此。如美国专利No.6,204,442中所示，可以使用一个热辐射体来吸收燃烧气体的热，而将核热辐射体辐射的引向一个光电池而转换成电力，从而保护该光电池不直接向燃烧气体暴露。
微燃气轮机对特定的高功率是所希望的。美国专利No.5,836,150；No.5,874,798；No.5,932,940中公开了那些可用作转换装置的微燃气轮机，其公开内容参考合并于此。
斯特林发动机具有尺寸、操作安静、耐用方面的优点，与外部燃烧系统联接，能提供用作低排放和灵活的燃料的潜力。对于该技术的专业人员，能用作转换装置的斯特林发动机将是清楚的。
现在参照图1，图中示出一种用于本发明设备中的燃料气化装置。用于气化从液态燃料源引出的液态燃料的燃料气化装置10包括一个有一入口端部14和一出口端部16的毛细流动通道12。流体控制阀18用于使毛细流动通道12的入口端部14与液态燃料源F成流体连通，并引导基本上液态的液态燃料进入毛细流动通道12。优选的是，流体控制阀18可以用电磁线圈操作。沿毛细流动通道12设置一热源20。最优选的是，这样提供热源20，就是用一根电阻材料的管子形成毛细流动通道12，当该管子上接头22和24处连接电源以便在其间输送电流时，毛细流动通道12的这一部分形成一加热器元件。可以理解，然后热源20可以操作而将毛细流动通道12中的液态燃料加热到足以将使其至少一部分从液态变为气态的水平，并从毛细流动通道12的出口端部16输送一股基本上气化的燃料。基本上气化指至少50％的液态燃料被热源气化，优选地至少70％，更优选地至少80％的液态燃料被气化。
燃料气化装置10还包括用于清除在操作本发明设备期间形成的沉积物的机构。图1中示出的用于清除沉积物的机构包括流体控制阀18、热源20和用于使毛细流动通道12与氧化剂源C成流体连通的氧化剂控制阀26。可以理解，该氧化剂控制阀可以安置在毛细流动通道12的任一端部处或端部附近，或者做成与毛细流动通道12的任一端部成流体连通。如果氧化剂控制阀安置在毛细流动通道12的出口端部处或其附近，那么它用于使氧化剂源C与毛细流动通道12的出口端部16成流体连通。在操作中，热源20用于将毛细流动通道12中的氧化剂C加热到足以氧化在加热液态燃料F期间形成的沉积物的水平。在一个实施例中，为了从加燃料模式切换到清除模式，氧化剂控制阀26可以操作而在将液态燃料F和将氧化剂C引入毛细流动通道12之间交替，并且当将氧化剂引入该至少一个毛细流动通道中时，能够原位清除毛细流动通道中的沉积物。
一种氧化沉积物的技术包括使空气或蒸汽通过毛细流动通道。如所指示的，在清除操作期间该毛细流动通道最好被加热，以便起动和持续氧化过程，直到沉积物耗散。为了增强该清除操作，可以利用一种催化物质，或作为毛细管壁的涂层，或作为壁的成分，以降低完成清除所需的温度和/或减少时间。为了连续操作该燃料气化装置，可以使用多于一个的毛细流动通道，使得当例如用传感器检测到一个堵塞状态时，可以将燃料流转向到另一毛细流动通道而通过该待清除的已堵塞的毛细流动通道触发氧化剂流。作为例子，一个毛细管主体中能够包括多个毛细流动通道，并可以设置阀装置来选择地对每个流动通道供应液态燃料或空气。
或者是，可以使燃料流从一毛细流动通道转向而以预定间隔起动氧化剂流。可以通过一控制器实现燃料向一毛细流动通道的输送。例如，该控制器能够在一预定时间内激活燃料输送，而在该预定时间后停止燃料输送。该控制器也可以根据一个或多个感知的状态来调整供应到毛细流动通道的液态燃料的压力和/或热量。这些感知的状态尤其可以包括：燃料压力、毛细管温度或空气-燃料比。该控制器还可以控制一个或多个毛细流动通道清除沉积物。
该清除技术可以用于有单独一个流动通道的燃烧装置。但是，如果该燃烧装置在清除操作期间断续地中断，那么在清除期间供应到该流动通道的能量最好是电力。各次清除之间的时间或者可以根据实验确定的堵塞特性而固定，或者可以利用一传感和控制装置来检测堵塞而按需要起动清除过程。例如，一个控制装置能够通过到达毛细流动通道的燃料供应压力的感知而检测到堵塞的程度。
如所指示的，氧化清除技术也可以用于需要连续操作的燃料气化装置。在这种情况下，利用多重毛细流动通道。图2和3中例示用于本发明的一种示范的多重毛细流动通道燃料气化装置。图2表示一个集成于单一组件94中的多重毛细管装置。图3表示组件94的端视图。如图所示，该组件可以包括三根毛细管82A、82B、82C和一根可包括一实心不锈钢杆的正电极92。这三根管和该杆可以支承在一电绝缘材料的主体96中，并可以经过配件98向该杆和毛细管供电。例如，可以向一个或多个毛细管的上游端部供给直流电，而毛细管下游端部处的接头95可以形成通过杆92的电流的返回路径。
现在参照图4，图中示出一个用于实施本发明的多重毛细管气化系统80。该系统包括毛细管82A至82C、燃料供给线84A至84C、氧化剂供给线86A至86C、氧化剂控制阀88A至88C、电力输出线90A至90C以及共用地线91。该系统80能够清除一个或多个毛细管而同时利用一个或多个其它毛细管来继续输送燃料。例如，在清除毛细流动通道82A期间可以通过毛细流动通道82B和82C来燃烧燃料。毛细流动通道82A的清除可以通过中断对毛细管82A的燃料供应、向毛细流动通道82A供应带有足够加热从而氧化该通道中的沉积物的空气。因此，可以清除一个或几个毛细管中沉积物而同时连续地输送燃料。该被清除沉积物的一个或多个毛细流动通道最好在清除过程中用电阻加热器或从用途反馈的热量加热。再一次，对于任何给定的毛细流动通道，各次清除之间的时间间隔或者可以根据实验确定的已知堵塞特性而固定，或者可以利用一个传感和控制系统来检测沉积物的积累并按照需要来起动清除过程。
图5表示一种操作一个按照本发明的设备的控制系统的示范示意图，该设备包括一个用于清除堵塞的毛细通道的氧化气体源。该控制系统包括一个可以操作地连接在燃料源102上的控制器100，控制器100向一流动通道如毛细流动通道104供应燃料和可以任选的空气。该控制器还可以操作地连接在电源106上，电源106向一电阻加热器或直接向金属毛细流动通道104输电，以便将该管子加热到足以气化该燃料。如果需要，该燃料系统可以包括多个可以操作地连接到控制器100上的流动通道和加热器。控制器100能够可以操作地连接在一个或多个信号发送装置如通断开关、热电偶、燃料流动速率传感器、空气流动速率传感器、功率输出传感器、电池电量传感器等，由此，可以使控制器100编制程序来根据由信号发送装置108输出到该控制器的信号而自动地控制燃烧系统的操作。
在操作中，本发明的设备的燃料气化装置可以做成能反馈在燃料期间产生的热量，从而将液态燃料加热到当其通过毛细管时足以基本上气化该液态燃料的水平，由此减少或免去或补充了否则加热该毛细流动通道时所需要的电力。例如，该毛细管可以做得更长，以增加其用于更多地输送热量的表面积，该毛细管可以做成通过该燃烧的燃料，或者可以设置一个热交换器来利用从燃烧反应产生的废气来预热燃料。
图6以简化形式表示可以如何安置毛细流动通道64，使得行经其间的液态燃料能被加热到高温，从而减少气化燃料的加热器的能量需求。如图所示，组成毛细流动通道的管子的一部分66通过燃烧的燃料的火焰68。为了最初的起动，可以利用通过连接在一电源如蓄电池74上的电线70、72而加热的由该管子的一段组成的电阻加热器或单独的电阻加热器来最初地气化该液态燃料。在用一合适的点火装置对该气化燃料点火后，该管子的一部分66可以由燃烧的热量预热，从而减少否则由电阻加热器连续气化该燃料所需的电力。因此，通过预热该管子，可以气化该管子中的燃料而不必使用电阻加热器，从而可以节省能源。
可以理解，图1～6中示出的燃料气化装置和附属的系统也可以用于连接本发明的另一实施例。再参照图1，用于清除沉积物的机构包括流体控制阀18、使毛细流动通道12与一溶剂成流体连通的溶剂控制阀26，溶剂控制阀26置于毛细流动通道12的一端。在使用溶剂清除的设备的一个实施例中，该溶剂控制阀可以操作而在将液态燃料和将溶剂引入毛细流动通道12之间交替。当溶剂引入毛细流动通道12时，能够原位地清洗毛细流动通道12。虽然已经利用各种各样的溶剂，但该溶剂可以包括从液态燃料源来的液态燃料。当这种情况时，不需要溶剂控制阀，因为不需要在燃料和溶剂之间交替，而在清洗毛细流动通道期间应当断开热源。
图7表示本发明的另一示范实施例。用于本发明设备中的燃料气化装置200有一输送液态燃料F用的加热的毛细流动通道212。热量由沿通道212安置的热源220提供。最优选的是，热源220是通过用一根电阻材料制成的管子形成毛细流动通道212而提供的，当电源连接在该管子上的输送电流的接头222和224处时，毛细流动通道212的一部分形成一加热器元件。
为了清除在操作燃料气化装置200期间形成的沉积物，通过装置主体230的端帽234的孔236安置一根可沿轴向移动的杆232，使杆232与毛细流动通道212的入口端部214的孔沿轴向对准。端帽234的内部容积中设置用于密封的装填材料238。现在参照图7A，图示可沿轴向移动的杆232完全延伸在毛细流动通道212内。可以理解，选择可沿轴向移动的杆232的直径能在毛细流动通道212内产生最小的壁容差可产生一种能基本上除去在操作燃料气化装置200期间沿通道212内表面累积的所有沉积物的组合装置。
图8表示本发明的一种设备的示意图，该设备包括一自由活塞斯特林发动机30、一燃烧室34、室34中处于550～750℃的热量由一驱动交流发电机32的往复活塞转换成机械动力以产生电力。该装置也包括一个毛细流动通道/加热器组件36、控制器38、整流器/调节器40、蓄电池42、燃料源44、同流换热器46、燃烧鼓风机48、冷却器50和冷却器/鼓风机52。在操作中，控制器38可以操作而控制将燃料输送到毛细管36并控制室34中燃料的燃烧，使得燃烧的热量驱动斯特林发动机中的活塞，以便发动机从交流发电机32输出电力。如果需要，可以用一台输出机械动力的运动的斯特林发动机来替代该斯特林发动机/交流发电机。可以在美国专利No.4,277,942；No.4,352,269；No.4,384,457；No.4,392,350中找到燃烧室和空气预热装置的例子，其公开内容参考合并于此。
图9表示按照本发明另一实施例的一种产生动力的装置的部分截面示意图，该装置可以形成一种热转换装置如斯特林发动机的一部分。如图9中所示，由空气鼓风机输送到空气入口的空气进入燃烧室34而与由毛细管/加热器装置36输送到该室的气化燃料混合。室34中的燃烧热加热斯特林发动机30的端部，而一个滑动的活塞以产生电的方式在交流发电机中往复运动。室34可设计成允许废气预热进来的空气，从而降低燃烧燃料所需的能量。例如，外壳可以包括一个允许进入的空气进行强制通风循环的多壁配置，该进入的空气通过在一废气通道中循环的废气而加热。输入空气(用箭头55表示)可以使其通过环绕燃烧室34的旋流器叶片56而在燃烧室中涡旋。燃烧空气-燃料混合物加热换热装置(斯特林发动机)30而废气(用箭头57表示)从燃烧室中除去。
通常，该换能设备可以包括一个液态燃料源、至少一个通过其气化从燃料源来的燃料并将燃料输送到其中燃烧气化燃料的燃烧室的流动通道(如一个或多个加热的毛细管)，而燃烧室中产生的热量用于驱动斯特林发动机或其它换热装置。可以使用热交换器来预热行经热交换器中空气通道时的空气，由此尽可能提高该装置的效率，也即通过预热与气化燃料混合的空气来支持室中的燃烧，从而只需较少的燃料来将斯特林发动机维持在所要的操作温度。废气可以通过热交换器中的废气管，由此可以将热量从废气转移到待输送到燃烧室的空气。
燃烧室可以包括其中空气与气化燃料混合而空气-燃料混合物燃烧的任何合适的装置。例如，燃料可以与空气在一个文杜里管中混合而提供空气-燃料混合物，而后者可在文杜里管下游的热产生区中燃烧。为了触发燃烧，可以将空气-燃料混合物限制在一点火区中，其中用一点火器如火花发生器对混合物点火。该点火器可以是能够对燃料点火的任何装置，如机械火花发生器、电火花发生器、电阻加热的点火丝等。电火花发生器可使用任何合适的能源，如小的蓄电池。但是，该蓄电池可用一手动操作的压电换能器替代，后者当驱动时产生电流。利用这样一种装置，可以由于压缩该换能器的电-机械作用而产生电流。例如，可以设置一个打击器具，当压下触发器时，该打击器具以一预定的力打击换能器。换能器产生的电可以通过适当的电路供给产生火花的机构。可以利用这样一种装置来对燃料-空气混合物点火。
由转换装置产生的电力的一部分可储存在一个合适的储存装置如蓄电池或电容器中，后者可用于触发点火器。例如，可使用一个手动操作的开关来将电流送到一电阻加热元件或使电流直接通过一根金属管的一部分，后者气化流动通道中的燃料，或者可以将电流供给一个点火器来触发送到燃烧室的燃料-空气混合物的燃烧。
如果需要，燃烧燃料而产生的热量可以用于操作任何种类的依赖机械动力或电力的装置。例如，一个换热源可用于产生电而用于便携式电装备，如电话通讯装置(如无线电话)、手提计算机、动力工具、仪表、野营设备、军事设备、运输设备如机动自行车、动力轮椅和海上推进装置、电子传感装置、电子监控设备、蓄电池充电器、照明设备、加热设备等。该换热装置也可用于对非便携式装置或对无电网或电网不方便不可靠的地区提供动力。这些地区和/或非便携式装置包括边远生活区和军营、售货机、海上设备等。
例子
例子1
进行过这样的试验，其中用一微隔板泵系统在恒压下将燃料供应到加热的毛细流动通道而气化JP 8喷气发动机燃料。在这些试验中，使用不同直径和长度的毛细管。这些毛细管用长2.5～7.6cm(1～3英寸)的304号不锈钢管制成，毛细管的用cm(英寸)表示的内径(ID)和外径(OD)如下：0.025 ID/0.046OD(0.010 ID/0.018OD)，0.033ID/0.083OD(0.013 ID/0.033OD)，0.043 ID/0.064OD(0.017 ID/0.025OD)。气化液态燃料的热量是使电流通过金属管的一部分而产生的。液滴粒径分布是利用一种由Malvern公司制造的Spray-Tech(喷雾技术)激光衍射系统来测量的。图10表示对一种0.025 ID/0.046 OD(0.010 ID/0.018 OD)的毛细管进行的试验结果。如图所示，这些试验的结果表明，液滴的Sauter平均直径(SMD)为1.7～3.0μm。SMD是一种其表面-体积比等于整个喷雾的表面-体积比的液滴的直径，它与喷雾的质量转移特性有关。
按照本发明的设备还产生可以测量的单模态和双模态分布。测量显示一种2.3μm的单模态SMD和2.8μm的双模态SMD，单模态提供的气溶态液滴粒径大多为1.7～4.0μm，而双模态喷雾分布提供的气溶胶液滴的80％或以上其粒径范围为1.7～4.0μm，其余为95～300μm。
例子2
利用一种商品级汽油进行了试验，利用微隔板泵系统在恒压下将燃料供应到一加热的毛细流动通道而气化该汽油。在这些试验中，使用了不同直径和长度的毛细流动通道。下表表示各种毛细管构型的经验数据。
  内径cm(英寸)   加热长度cm(英寸)   燃料压力kg/cm2(psig)   结果
  0.069(0.027)   17.2(6.75)   5.3(75)   产生完全气化的燃料流，流动速率180mg/s
  0.074(0.029)   18.4(7.25)   4.6(65)   利用加热电压20V，产生高的流动速率
  0.051(0.020)   15.2(6.0)   4.9(70)   产生至少200mg/s的流动速率，具有基本上充分的蒸汽特性
例子3
进行试验来证明燃料压力对燃料流动速率的影响。图11表示用各种管子尺寸对各种燃料生产率和燃料压力获得的测量数据，数据点(●)表示一种0.043cm ID(0.017英寸ID)和7.6cm(3英寸)长的管子，而数据点(▲)表示一种0.025cm ID(0.010英寸ID)和7.6cm(3英寸)长的管子。本发明的设备显示优越的雾化性能，在高达203.9kg-m/sec(2000W)的燃料生产率下具有所希望的燃料流量对压力损失的特性(JP 8燃料流动速率：1mg/s＝42.5W化学能)。
例子4
利用一种已知产生高水平沉积物的无添加剂的无硫汽油来进行试验，以证明在一加热的毛细流动通道上氧化清除技术的优点。用于这些试验的毛细流动通道是用内径0.058cm(0.023英寸)的不锈钢管制成的5.08cm(2.0英寸)长的加热的毛细管。燃料压力保持在0.7kg/cm2(10psig)。对该毛细管供给电力而获得各种水平的R/R0；其中R是加热的毛细管的电阻，而R0是环境状态下的毛细管电阻。
图12表示燃料流动速率对时间的图线。如图所示，对这种无去垢添加剂的汽油，在非常短的时间内遇到显著的堵塞，在短到10分钟内观察到流动速率损失50％。
在遇到显著的堵塞后，中断燃料流而代之以0.7kg/cm2(10psig)的空气。在此期间进行加热，在少到一分钟以后达到显著的清除作用，而流动速率恢复到原先水平。
例子5
该例子证明，当利用一种以有效添加剂封装的商业级汽油时，例子4的加热的毛细流动通道中的堵塞的严重程度要小得多。如图13中所示，在该装置运行近4小时后，燃料的流动速率减小不到10％。
例子6
为了比较各种汽油和去垢添加剂对堵塞的影响，在例子4的加热的毛细流动通道中流动五种试验燃料。这些试验燃料包括含300ppm硫的无添加剂汽油、不含硫的无添加剂汽油、带商用的市场后添加剂(添加剂A)的无硫汽油和带另一种商用的市场后添加剂(添加剂B)的无硫汽油。
如图14中所示，有添加剂的燃料行为相似，而无添加剂的燃料在少于1小时的操作中遇到严重的堵塞。
例子7
该例子比较一个对无添加剂的喷气发动剂燃料(JP 8)进行操作的毛细流动通道与对无添加剂的No.2柴油燃料(OF 2)进行操作的同一毛细流动通道的随时间的操作，该毛细流动通道具有0.036cm(0.014英寸)的内径和5.1cm(2英寸)的长度。燃料压力设定在1.1kg/cm2(15psig)。在毛细管上供给电力以获得R/R0为1.19的水平；其中R为加热的毛细管的电阻，而R0为环境条件下的毛细管电阻。
如图15中所示，这些燃料在操作的最初10分钟内行为相似，而柴油燃料在其后遇到更严重的堵塞。
例子8
利用已知产生高水平的沉积物的无添加剂的No.2柴油燃料来进行评估在加热的毛细流动通道上氧化清除技术的效率的试验。用于这些试验的毛细流动通道是用内径0.036cm(0.014英寸)的不锈钢管制成的长5.1cm(2英寸)的加热的毛细管。燃料压力保持在1.1kg/cm2(15psig)。向毛细管供应电力来获得R/R0＝1.19的水平；其中R再一次是加热的毛细管的电阻，而R0是环境状态下的毛细管的电阻。
图16表示燃料流动速率对时间的图线。如图所示，对于这种无去垢剂添加物的燃料，在非常短的时间内遇到显著的堵塞，在约35分钟的连续操作中观察到50％的流动速率的损失。
在第二次运行中，在五分钟操作后，中断燃料流动并替换0.7kg/cm2(10psig)的空气5分钟。在此期间也进行加热。每5分钟重复该操作。如图16中所示，该氧化清除过程在实际上每种情况下都增大燃料流动速率并倾向于减慢燃料流动速率随时间的整个下降。但是，该过程的效率稍许小于如例子4中所述的用无添加剂的汽油所获得的效率。
例子9
进行试验来评估与例子8的No.2柴油燃料混合的商品级抗污垢剂添加物对加热毛细流动通道中随时间的燃料流动速率的影响。用于这些试验的毛细流动通道再一次是用内径0.036cm(0.014英寸)的不锈钢管制成的长5.1cm(2英寸)的加热的毛细管。燃料压力保持在1.1kg/cm2(15psig)，而向毛细管供给电力来获得1.19的R/R0。
图17提供有添加剂的No.2柴油燃料和无添加剂的柴油燃料的燃料流动速率对时间的比较。如图所示，对于不含去垢剂添加物的燃料，在非常短的时间内遇到严重的堵塞，在约35分钟的连续操作中观察到50％的流动速率损失，而同一含去垢剂的燃料在延长的时间内显示要小得多的堵塞。
虽然已参考其优选实施例而详细地描述了本发明，但该技术的专业人员将会清楚，可以进行各种变化和利用等效的方案而并不偏离本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于从液态燃料源产生动力的设备，包括：
(a)至少一个有一入口端部和一出口端部的毛细流动通道，所述入口端部与该液态燃料源成液体连通；
(b)一个沿所述至少一个毛细流动通道安置的热源，所述热源用以将所述至少一个毛细流动通道中的液态燃料加热到足以将其至少一部分从液态变为气态的程度，并从所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部输送一股气化的燃料流；
(c)一个用于燃烧该股气化的燃料流和空气的燃烧室，所述燃烧室与所述至少一个毛细流动通道的所述出口端部连通；以及
(d)一个转换装置，用以将由所述燃烧室中的燃烧所释放的热量转换成机械动力和电力，所述转换装置包括一个装有发电机的斯特林发动机，其中所述转换装置输出高达5000瓦电力。
2.权利要求1的设备，其特征在于，所述热源包括一个电阻加热元件。
3.权利要求1的设备，其特征在于，还包括一个控制来自液态燃料源的液态燃料流量的流体控制阀。
4.任一上述权利要求的设备，其特征在于，所述至少一个毛细流动通道包括至少一个毛细管。
5.权利要求1的设备，其特征在于，所述热源由一段所述毛细管组成，该段毛细管由于通过其间的电流而受到加热。
6.权利要求1的设备，其特征在于，还包括用于清除在设备操作期间所形成的沉积物的机构，所述用以清除沉积物的机构包括一个用于控制来自液态燃料源的液态燃料流量的流体控制阀、所述热源和一个用于使所述至少一个毛细流动通道与一种氧化剂成流体连通的氧化剂控制阀；所述热源还用以将所述至少一个毛细流动通道中的氧化剂加热到足以氧化在该液态燃料加热期间所形成的沉积物的程度，其中，用于使所述至少一个毛细流动通道与一氧化剂成流体连通的所述氧化剂控制阀在将液态燃料和将氧化剂引入所述毛细流动通道之间交替，并当将该氧化剂引入所述至少一个毛细流动通道中时，用以就地清理所述毛细流动通道。
7.权利要求6的设备，其特征在于，所述至少一个毛细流动通道包括多个毛细流动通道，每个所述毛细流动通道与一燃料源和一氧化气体源成流体连通。
8.权利要求6或7的设备，其特征在于，该氧化剂包括空气、废气、蒸汽及其混合物。
9.权利要求1的设备，其特征在于，还包括用于清除在设备操作期间所形成的沉积物的机构，所述用于清除沉积物的机构包括用于擦去在设备操作期间所形成的沉积物的机构。
10.权利要求9的设备，其特征在于，所述用于擦去沉积物的机构包括一根安置成与所述至少一个毛细流动通道成轴向对准的可沿轴向移动的杆。
11.权利要求10的设备，其特征在于，所述用于擦去沉积物的机构包括沿所述可沿轴向移动的杆配置的清理刷。
12.权利要求1的设备，其特征在于，还包括用于清除在设备操作期间所形成的沉积物的机构，所述用于清除沉积物的机构包括一个用于控制来自液态燃料源的液态燃料流的流体控制阀和一个使所述至少一个毛细流动通道与一溶剂成流体连通的溶剂控制阀，所述溶剂控制阀安置在所述至少一个毛细流动通道的一端处，其中所述用于使所述至少一个毛细流动通道与一溶剂成流体连通的溶剂控制阀在将液态燃料和将溶剂引入所述毛细流动通道之间交替，以便在将溶剂引入所述至少一个毛细流动通道中时就地清理所述毛细流动通道。
13.权利要求1的设备，其特征在于，还包括用于清除在设备操作期间所形成的沉积物的机构，所述用于清除沉积物的机构包括一个用于控制来自液态燃料源的液态燃料流的流体控制阀，所述流体控制阀使所述至少一个毛细流动通道与一溶剂成流体连通，以便在将该溶剂引入所述至少一个毛细流动通道时，就地清理所述毛细流动通道。
14.权利要求13的设备，其特征在于，该溶剂包括来自液态燃料源的液态燃料，其中，在清理所述毛细流动通道期间该热源被中断。
15.一种产生动力的方法，包括：
(a)向至少一个毛细流动通道供给液态燃料；
(b)通过加热该至少一个毛细流动通道中的液态燃料而使一股气化的燃料流流过该至少一个毛细流动通道的出口；
(c)在燃烧室内燃烧该气化燃料；以及
(d)利用转换装置将由该燃烧室中气化燃料的燃烧所产生的热量转换为机械动力和电力，该转换装置包括一个装有输出高达5000瓦电力的发电机的斯特林发动机。
16.权利要求15的方法，其特征在于，该至少一个毛细流动通道包括至少一个毛细管，而该热源包括一个电阻加热元件或一段通过在其间流过电流而被加热的毛细管，该方法还包括使液态燃料流过该毛细管并通过加热该毛细管而气化该液态燃料的步骤。
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