CN102762288A

CN102762288A - 制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备及方法

Info

Publication number: CN102762288A
Application number: CN2011800101280A
Authority: CN
Inventors: S·波特克维切; A·伯德瑞夫; V·莱文
Original assignee: Neftech Pte Ltd
Current assignee: Neftech Pte Ltd
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-10-31
Also published as: SG182600A1; EP2525901A1; AU2011207820A1; US20120291338A1; SG173228A1; WO2011090436A1; TW201130963A

Abstract

揭露一种制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备及方法。该设备包括用于接收第一液体的第一空蚀室，该第一液体为该燃料及该可乳化成分的最初者，且其中装设该设备以制造于该第一空蚀室中该第一液体的涡流。该设备包括用于接收第二液体的第二空蚀室，该第二液体为该燃料及该可乳化成分的另一者，于此装设该设备以制造于该第二空蚀室中该第二液体的涡流。该第一空蚀室复包括出口，且该第一空蚀室、该出口及该第二空蚀室同轴地装设。装设该第二空蚀室以由该第一空蚀室经该出口接收该第一液体。

Description

制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备及方法

技术领域

本发明关于制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备及方法。本发明特定但非限定，用于制造船用柴油引擎及动力设备用的乳化物。

背景技术

一种在包括柴油引擎在内的引擎中提高燃料效率，且改善它们运行的生态特性的方法是使用乳化物，像是水-燃料乳化物（water-fuel emulsions），虽然也可使用其他可乳化成分。透过空蚀处理（cavitational treatment）制造燃料和水的乳化物的装置是大家熟知的。空蚀被定义为一种当液体的压力降低到其蒸汽压之下时在流动液体中形成蒸汽泡的现象接着，当气泡流入高压区域时，气泡会收缩且破裂，导致该局部温度和压力的急遽增加而产生压力波。该压力波造成燃料及该可乳化成分的球体（globules）分离成较小球体。这使得该可乳化成分的微小球体在该燃料中的分布得到改善以促成乳化物的形成。在第二液体内的第一液体的微小球体的悬浮液（suspension）定义为乳化物，而其中的第一液体不会发生混合。透过空蚀得到的乳化物，会是在该可乳化成分的微小球体周边具有一层燃料薄膜（film）。当这样的乳化物燃烧时，涂敷燃料（fuel-coated）的可乳化成分球体被加热、延展且之后爆裂（explode）造成更小的涂敷燃料的可乳化成分球体的形成。此连续微小爆裂的循环造成该燃料的全部表面面积的增加，促使燃料更加容易且完全的燃烧。

根据该燃料及该可乳化成分的物理和化学特性，某些乳化物可由将其混合物通过空蚀室（cavitation chamber）或与之相似设备而轻易地形成。某些可乳化成分及燃料由于它们不兼容的物理属性，比如黏度，和其他化学特性，而难以混合。

典型地，当通过空蚀形成乳化物时，该燃料及该可乳化成分的混合物最先形成，之后成为乳化物。该混合物可能并不均匀，在混合物的不同容积区域（volumetric zones）中该燃料及该可乳化成分的浓度会有差异。当该混合物被空蚀且被乳化时，该非均匀性也将显露在该乳化物中，因此导致该乳化物质量降低。此质量降低将会转化为该燃料的效率的降低。

发明内容

本发明如独立权利要求中所述。本发明部分非必要特征则如附属权利要求中所述。

一种用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备中，该第一和第二空蚀室以及由该第一空蚀室至该第二空蚀室的该喷嘴出口同轴地设置，来自该第一空蚀室的该第一液体被导引至该第二空蚀室之中心，以便该第一液体可均匀地分散于该第二液体中。此外，该出口相对于该第二空蚀室的同轴设置，减少了在该第二空蚀室所产生的该第二液体的漩涡(vortex)发生任何崩解的风险。

当该燃料及该可乳化成分的涡流(swirling flow)以相反方向建立时，可得到均匀性改善的混合物。均匀的混合物该混合物的成分均匀地分散遍及该混合物的容积。均匀性改善是想要得到的且影响该燃料及可乳化成分的混合物的燃烧效率。

该设备可具有出口，由该第一空蚀室喷射至该第二空蚀室的距离由该第二空蚀室的直径决定。该设备也可具有该出口由该第一空蚀室喷射至该第二空蚀室的距离该出口相对该第二空蚀室的位置而决定。此配置避免由该出口来的该第一液体的流动妨碍在该第二空蚀室中该第二液体的涡流的形成。

从该第一空蚀室出来的该出口直径较佳地为该第一空蚀室直径的0.7到0.75倍的范围内，藉以于该设备中形成紊流（turbulent flow）状态，因为紊流有利于发生空蚀。

该设备可在该第一空蚀室的该入口上具有止回阀，其中该止回阀被安排为仅在该第二空蚀室的该排放区域中的压力达到临界值时开启，这样可保证在该第二空蚀室中的气压的稳定性，以便当该第一液体由该第一室导引至该第二空蚀室时，可得到有效的压力梯度。

该第二空蚀室的横截面面积较佳地大于或等于该出口的横截面面积1.25倍，以使由该第一空蚀室来的该第一液体在该第二空蚀室的该第二液体中的分布的均匀性得到增加。

附图说明

该附图仅说明本发明的实施例并连同该叙述来解释本发明的原理。

图1用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的第一设备的正视图；

图2表示该第一设备的一配置的平面图显示该第一和第二液体相反方向的涡流；

图3表示该第一设备另一配置的平面图显示该第一和第二液体相反方向的涡流；

图4该第一设备的一配置的平面图表示在该第一和第二空蚀室中相同方向的涡流；

图5该第一设备另一配置的平面图表示在该第一和第二空蚀室中相同方向的涡流；

图6用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的第二设备的正视图；

图7沿着图6的剖面线7-7’所取得的平面图；

图8沿着图6的剖面线8-8’所取得的平面图；

图9该第一设备的第二室单独的正视图；

图10该第二设备的第二室单独的正视图；

第11图具有压力量测及阀控制组件的该第一设备的正视图；以及

第12图具有压力量测及阀控制组件的该第二设备的正视图。

具体实施方式

于图1中说明用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的第一设备100。设备100包括第一空蚀室10和第二空蚀室20。在图1的范例中，设备100还包括共振室（resonance chamber）30。第一空蚀室具有使室10接收第一液体的入口2。在图1该设备中，至少使用两种液体：燃料及可乳化成分。水为一种可使用的可乳化成分，但也可使用其他可乳化成分。该第一液体可以是该燃料及该可乳化成分的最初者（a first one）。以如此方法装设该入口2以便制造该第一液体的涡流。

涡流为建立漩涡的一种。如图2所示，该第一和第二空蚀室10、20横截面为圆形的，且以此方式该第一液体和该第二液体各别地导引至该第一室10和该第二室20，如此它们呈现旋转移动外观以建立该各别的漩涡。在图2的范例中，该第一液体的旋转移动透过沿着该第一室10切线地装设的该入口2所引起，这样当该第一液体进入该第一室10时，其朝着该第一室10圆形横截面的曲面内侧所导引。如此导引该第一液体给予第一液体涡流动作（swirlingmotion）的外观。

同样地，第二空蚀室20具有完成第二室20接收第二液体的入口4。第二液体可能为该燃料及可乳化成分中的另一者。在图2的范例中，第二液体的旋转移动透过沿着第二室20切线地装设的入口4所引起，这样当该第二液体进入第二室20时，其朝着第二室20圆形横截面的曲面内侧所导引。如此导引该第二液体，给予第二液体的旋转移动外观。

由上面可明白的，每一室可接收该燃料或该可乳化成分的任一者。在燃料导引至第一和第二空蚀室的任一者之前可加热至所需温度。该温度取决于该燃料的流变特性。液体的流变特性像是影响液体的流动特征的黏性及弹性。加热的目的及加热该燃料的程度在与使得该燃料的流变特性成为所需数值，以便促进该燃料及添加物所需的混合。

请再次参照图1，第一室10含有用于排出来自第一室10的第一液体的出口的底部6。在图1的范例中，该出口为喷嘴8且具有在该喷嘴底部的尖端12，其为由第一空蚀室10的底部6的最远位置。该喷嘴可为圆柱状的、圆锥形的或缩扩喷嘴（laval nozzle）。第二室20由第一室10经由喷嘴8接收该第一液体。第一室10、第二室20和喷嘴8沿者轴X-X’同轴地装设；那就是，第一和第二室10、20和喷嘴8的各自中心线装设于共同的轴上。具有同轴装设的优点在于来自第一空蚀室10的第一液体被导引至第二空蚀室20的中心，以便均匀地散布第一液体于第二液体中。此外，关于第二空蚀室20的喷嘴8的同轴放置可防止产生于第二空蚀室20内第二液体的该漩涡的崩解。

于第一空蚀室10及第二空蚀室20中涡流的方向可为相同或相反。在第一室10中第一液体的移动呈现第一方向且在第二室20中第二液体的移动呈现第二方向。在图2的范例中，该第一方向为逆时针且该第二方向为顺时针，导致第一和第二方向彼此相反。图3说明另一配置，其中该第一方向为顺时针且该第二方向为逆时针。此配置亦导致第一和第二方向彼此相反。

如图4所示，该涡流也许如此设置以便在第一室和第二室中的第一液体和第二液体各自地为相同的顺时针方向。如图5所示，该涡流也可如此设置以便在第一室和第二室中的第一液体和第二液体各自地为相同的逆时针方向。

具有第一方向和第二方向的涡流以相反方向且彼此相接触提升该混合物的紊流，其各自流动彼此中断和互相影响，导致该第一和第二液体的加强混合。换句话说，加强混合导致该乳化物的改善均匀性。同时，紊流有助于在该液体中促进空蚀。紊流造成在空间和时间上快速的压力及速度梯度。此些压力的快速梯度造成燃料及该可乳化成分的空蚀混合中的压力波的较高频率的振动。压力波的较高频率的振动提供许多空蚀气泡的产生，空蚀气泡不稳固且分离该可乳化成分为极小液滴（droplets）/球体，导致该燃料的较高表面面积可用于燃烧从而提供改善该乳化物的燃烧效率。

于图6所示，所装设的第二设备200于第一室10具有数个切线入口且于第二室20具有数个入口。在此配置下，在导引这些液体经该入口进入该室前，第一室10和第二室20沿着侧边由液体贮槽（fluid reservoir）完全地封闭以容纳该第一液体和该第二液体。实质上，该贮槽为多支管（manifolds），有助于改善经每一该数个入口至各别空蚀室的液体的流动速率的一致。如图6所示，第一室10由液体贮槽14完全地封闭。贮槽14由管线16供应该第一液体。同样地，所示的贮槽18封闭该第二室20。贮槽18由管线22供应该第二液体。

图7说明供给两切线入口2的第一室10的范例。第一室10和贮槽14间的空间供容纳该第一液体且同时地迫使该第一液体经切线入口2以制造涡流。入口的数量无需受限于两个，但可以大于两个，像是4个或6个，或其他合适的数量。同样地，图8说明供给两切线入口4的第一室20的范例。第二室20和贮槽18间的空间供容纳第二液体且同时地迫使该第二液体经该切线入口4以制造涡流。入口的数量无需受限于两个，但可以大于两个，像是4个或6个，或其他合适的数量。图7说明于第一室10中入口2的放置以制造顺时针方向的涡流。同样地，图8说明于第二室20中入口4的放置以制造逆时针方向的涡流。于图7和图8中的涡流或漩涡的方向仅为说明，然而涡流的方向可依需求而装设。换句话说，于第一室10和第二室20涡流的方向可为相反方向或相同方向。

可装设于该第二室的该入口，这样它们在该第二室中为不同阶层（levels）。具有于该第二室的不同阶层的切线入口的优点为提供改善在该第二空蚀室中压力分布的均匀。如图10所示。

第一室10和第二室20，经由它们制造第一液体和第二液体的涡流的效能（virtue）为漩涡空蚀装置（vortex cavitational devices）。漩涡空蚀装置的运作原理对于该漩涡增加旋转速度，根据白努利原理（Bernoulli’sprinciple）该装置制造压力变化。压力变化导致在该第一和第二液体中的高低压交替。发生于第一室和第二室中的最初空蚀由于前述导致该液体的裂解（cracking）。裂解是液体于分子层（molecular level）的分解（breakdown），为强烈空蚀（intense cavitation）及液体混合之前较佳步骤。烃类（hydrocarbons）的较高分子链被崩解。裂解程序可称为该液体的活化（activation）。这是有利的尤其是当该燃料和该可乳化成分在正常情况下由于它们物理和化学特性难以混合及乳化时。

该第一室10具有第一半径r以及该第二室20具有第二半径R。在第1和6图的范例中，r小于R。因此，第一室10的横截面面积小于第二室20的横截面面积。于第一室10中较小横截面面积表示为了固定液体流动速率和液体温度，在该第一室10中的液体压力将高于在第二室20中的液体压力。

该第一室10和第二室20间的压力梯度（差压），以ΔP表示，促成该设备运作的有效性。那里在该第一室10中的压力为P1且在第二室20中的压力为P2，该压力梯度ΔP可推论如下：

ΔP=P1-P2

该第一液体由具有压力P1的第一室10流动至第二室20是经历等同于ΔP的压力下降（pressure drop）。维持该压力P2较低于P1以达到该压力下降。当流动液体的压力低于流动液体的蒸气压力，随着空蚀起始发生此压力下降引起空蚀。如此若压力下降较高时，转化至系统的较高有效性的空蚀强度较大。

较大的压力下降引起由第一室10至第二室20的第一液体较高的流动速率，此较高速率转化为起因于空蚀的压力波较高频率的摆动。因此，较高ΔP值是需要的。ΔP可透过增加P1或减少P2任一者所增加。

导引第一液体由第一室10经喷嘴8至第二室20。喷嘴8位于第二室20的入口4下游。至于数个入口4，喷嘴8的尖端12位于该数个入口4下游。

该入口下游以远离由第一室至第二室方向的该入口的远处的位置所定义。

该出口喷射至第二空蚀室20相对于第一空蚀室10的底部6的距离由第二空蚀室的直径所决定。较佳地，上述距离为喷嘴8的尖端12喷射至该第二空蚀室20的距离。最理想的距离为第二空蚀室20直径0.1至0.15倍的范围。

该出口喷射至该第二空蚀室20的距离以及该第二空蚀室20的该入口4的位置由彼此而决定。

较佳地，喷嘴8的尖端12喷射至第二空蚀室20为由第二空蚀室20的第一端7的第一距离H。在图1的范例中，第一端7为图6的横截面视图中的「上」端。第二空蚀室20的入口4位于由第二空蚀室20的第一端7的第二距离h的位置。该第一距离大于该第二距离。H与h间关连性的一有用范围为该第一距离，H大于或等于该第二距离h的1.2倍。如图9中所示H大于h。

较佳地，对于第二空蚀室20中具有多入口的第二设备200，如图10中所示，该喷嘴12喷射至第二空蚀室20为由第二空蚀室20的第一端7的第一距离H。第二距离，h为由第二空蚀室20的第一端7至位于远离第二空蚀室20的第一端7的数个入口4的一入口的距离。第一距离大于第二距离。H与h间关连性的一有用范围为该第一距离，H大于或等于该第二距离h的1.2倍。如图10中所示。

如上所述的喷嘴装设所产生优点有助于防止来自该喷嘴8的尖端12的第一液体的流动妨碍在第二空蚀室20中第二液体的涡流的形成。

第一设备100可为如上述喷嘴装设的任一者或为两者。同样地，第二设备200可为如上述喷嘴装设的任一者或为两者。

第一室10具有第一直径且第一室10的该出口具有第二直径。对该第二直径中一个有用的范围该第一直径大约0.7到0.75倍。这样优点提供紊流状态，而紊流状态为空蚀的较佳选择。这是因为若紊流较强烈，起因于空蚀液体的球体尺寸则较小。在乳化物中较小球体尺寸为较佳选择。

在第二空蚀室20接近喷嘴8的尖端12具有排放区域（discharge zone）13。因此，装设第二空蚀室20经喷嘴8接收第一液体于排放区域中。一旦该第一液体导引至第二空蚀室20，接着与第二液体混合，以相同方向或以相反方向的任一者旋转（rotating）。

当第一液体以受控制速率连续地导引至第二室，随着第二液体经该第二入口或数个第二入口进入第二室，此促进第二液体均匀地且连续地与第一液体混合，经由混合物的强烈空蚀而完成。由连续液体导引流动至该第一及/或第二室10，20的连续混合可协助提供均匀的乳化物。

这里使用水作为该可乳化成分，该可乳化成分的重量比例保持低于70%。若该可乳化成分的比例超过70%，该乳化物会有形成并不需要的凝胶（gel）的倾向。

随后该混合物经该共振室30传递，其中该压力波在接近共振室的共振频率的某频率时扩大而导致强烈空蚀和混合物的均匀。该混合物经该共振室传递后，不是送到用于后续处理的另一工作槽（vessel）就是直接送到用户供燃烧。

上述对第一和第二设备的结构相当简单以最小数量组件部份来装设，而给予设备简洁的本质。任何运转部件的缺少及简单机械设计的供应同样地导致维护需求的简化。上面优点亦提供在相关费用的减少。

在第1和6图的范例中，所提供的该各别设备具有用于控制第一液体流入第一空蚀室10的止回阀（check valve）3。如图1所示，提供止回阀3以控制于该设备中第一液体经入口2的流动。于图6中，于管线16中提供止回阀3。该止回阀用于控制第一液体流入第一空蚀室10且当于第二空蚀室20的压力到达一预定值时打开。如先前所述，第一液体可为该可乳化成分及该燃料的任一者。此优点在于达到在该第二室的压力的稳定，以便当该第一液体由该第一室导引至该第二室时，可得到有效的压力梯度ΔP。

该第二空蚀室20内部压力以安装于该空蚀室20内部的合适的压力量测装置32来量测。压力量测装置32可为合适的压力传感器，例如压电式压力传感器。如第11和12图所示，来自该装置的压力讯号转达至处理装置（processingdevice）34，像是控制器或经讯号传输线36的计算机。该处理装置34包括讯号输入/输出组件，讯号处理组件和控制组件。该讯号处理组件将压力量测值与设定及储存于处理装置34中的临界值作比较。若压力量测值大于压力临界值时，由处理装置34的该控制组件经讯号传输线38将讯号传送至该阀3以开启该阀3。一旦开启该阀3，第一液体流入该设备。于处理装置34的临界值可变更及储存。第二空蚀室20内部压力连续地量测，且只要量测压力值较高于该临界值则开启阀3。用于与临界值作比较的量测压力值通常为随着时间的平均压力值。

供应该设备100和200的燃料及可乳化成分的数量可透过安装于通到第一空蚀室和第二空蚀室的管线内的计量泵（metering pumps）所控制。

于第1和6图中，喷嘴8具有第一横截面面积且第二空蚀室20具有第二横截面面积，其中该第二横截面面积大于或等于该第一横截面面积的1.25倍。此优点导引第一液体至第二空蚀室以此方式可均匀地分散于该第二液体中。

如果经该第一室的第一入口2的流动速率为f₁，那么等同于至少一个入口4的直径d₂由下列式子所决定：

R≥d₂≥d₁√(f₂/f₁)

其中，d₁等同于第一入口2的直径，d₂等同于第二入口4的直径，R为第二室20的半径，f₁和f₂为经过入口2和4的流动速率，相应地，d₁=√(4S₁/π)，d₂=√(4S₂/π)，这里S₁为该第一入口的整个横截面面积且S₂为第二入口的整个横截面面积。

可理解的，前面叙述意指仅是所揭露技术原理的说明，并不是其全部，对于此技术领域中的通常技术人士将其替换及改变是显而易见的，且并非意欲限制本发明除了下列申请专利范围已明确表示之外的范围。

Claims

1.一种用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的设备，包括：

用于接收第一液体的第一空蚀室，该第一液体为该燃料及该可乳化成分的最初者，装设该设备以制造于该第一空蚀室中该第一液体的涡流；

用于接收第二液体的第二空蚀室，该第二液体为该燃料及该可乳化成分的另一者，装设该设备以制造于该第二空蚀室中该第二液体的涡流；

该第一空蚀室复包括出口；

该第一空蚀室、该出口及该第二空蚀室同轴地装设；以及

其中，装设该第二空蚀室以由该第一空蚀室经该出口接收该第一液体。

2.如权利要求1所述的设备，其中，该设备装设：

以于该第一空蚀室中在第一方向上制造该第一液体的涡流；以及

以于该第二空蚀室中在第二方向上制造该第二液体的涡流；

其中，该第二方向相反于该第一方向。

3.如权利要求1所述的设备，其中，该设备装设：

以于该第一空蚀室中制造该第一液体的涡流；以及

以于该第二空蚀室中制造该第二液体的涡流；

其中，该第一液体的涡流与该第二液体的涡流相同方向。

4.如先前申请专利范围中任一所述的设备，装设后于该第一空蚀室的液体压力高于该第二空蚀室的液体压力。

5.如权利要求4所述的设备，其中，该第一空蚀室具有第一半径，且该第二空蚀室具有第二半径，该第一半径小于该第二半径。

6.如先前申请专利范围中任一所述的设备，其中，该出口喷射至该第二空蚀室的距离以该第二空蚀室的直径而决定。

7.如权利要求6所述的设备，其中，该出口喷射至该第二空蚀室的距离在该第二空蚀室直径0.1至0.15倍的范围内。

8.如权利要求6或7所述的设备，该第二空蚀室具有排放区域，且

其中装设该第二空蚀室经该出口接收该第一液体于该排放区域中。

9.如先前申请专利范围中任一所述的设备，

该第二空蚀室包括装设用于接收该第二液体的出口；

其中，该出口位于该入口下游。

10.如权利要求9所述的设备，其中，该出口喷射至该第二空蚀室的距离以及该入口的位置以彼此而决定。

11.如权利要求10所述的设备，其中，该出口喷射至该第二空蚀室为由该第二空蚀室的第一端的第一距离，且该入口位于由该第二空蚀室的第一端的第二距离的位置，其中该第一距离大于该第二距离。

12.如权利要求11所述的设备，其中，该第二空蚀室包括数个用于接收该第二液体的入口；以及

该第二距离为由该第二空蚀室的该第一端至位于最远离该第二空蚀室的该第一端的数个入口的一入口的距离。

13.如权利要求11或12所述的设备，其中，该第一距离大于或等于该第二距离的1.2倍。

14.如先前申请专利范围中任一所述的设备，该第一空蚀室具有第一直径，该出口具有第二直径，且其中该第二直径在该第一直径0.7到0.75倍的范围内。

15.如先前申请专利范围中任一所述的设备，该设备复包括对该第一空蚀室的该入口上的止回阀，以及

其中装设该止回阀仅于若该第二空蚀室的该排放区域中的压力达到临界值时开启。

16.如先前申请专利范围中任一所述的设备，其中，该出口具有第一横截面面积以及该第二空蚀室具有第二横截面面积，且该第二横截面面积大于或等于该第一横截面面积的1.25倍。

17.如先前申请专利范围中任一所述的设备，包括于液体传递时用于接收该可乳化成分的入口的导管内的止回阀，装设该设备依据该第二空蚀室内压力标准满足反应以开启该止回阀。

18.一种用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的方法，包括：

导引第一液体至第一空蚀室，该第一液体为该燃料及该可乳化成分的最初者，且制造在该第一空蚀室中该第一液体的涡流；以及

导引第二液体至第二空蚀室，该第二液体为该燃料及该可乳化成分的另一者，且制造在该第二空蚀室中该第二液体的涡流；

其中，该第一空蚀室、出口及该第二空蚀室同轴地装设；以及

其中，由该第一空蚀室经该出口接收该第一液体至该第二空蚀室。

19.如权利要求18所述的方法，其中，该可乳化成分为水且其中于该乳化物中该可乳化成分的重量比例低于或等于70%。

20.一种用于制造燃料及可乳化成分的乳化物的方法，其使用如权利要求1到17项中任一所述的设备。