RU2529035C1 - Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel - Google Patents
Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2529035C1 RU2529035C1 RU2013112877/04A RU2013112877A RU2529035C1 RU 2529035 C1 RU2529035 C1 RU 2529035C1 RU 2013112877/04 A RU2013112877/04 A RU 2013112877/04A RU 2013112877 A RU2013112877 A RU 2013112877A RU 2529035 C1 RU2529035 C1 RU 2529035C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- aluminum
- fuel
- liquid hydrocarbon
- hydrocarbon fuel
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химии, а точнее касается нанокомпонентной энергетической добавки в углеводородное топливо, преимущественно для газотурбинных установок (ГТУ), реактивных и пульсирующих детонационных двигателей на жидком углеводородном топливе.The invention relates to the field of chemistry, and more specifically relates to a nanocomponent energy additive in hydrocarbon fuel, mainly for gas turbine units (GTU), jet and pulsating detonation engines using liquid hydrocarbon fuel.
Введение в топливо добавок в виде наночастиц известно. Такие добавки могут снижать эмиссию вредных веществ, интенсифицировать горение, снижать температуру воспламенения и уменьшать задержку воспламенения. Бор и такие легкие металлы, как алюминий, бериллий, литий и магний достаточно давно рассматривались как перспективные добавки к твердым и жидким компонентам топлива. В настоящее время они нашли определенное применение в этом качестве в смесевых твердых топливах для ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) и в твердых горючих для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).The introduction of fuel additives in the form of nanoparticles is known. Such additives can reduce the emission of harmful substances, intensify combustion, lower the ignition temperature and reduce the ignition delay. Boron and such light metals as aluminum, beryllium, lithium and magnesium have long been considered promising additives to solid and liquid fuel components. Currently, they have found some application in this quality in mixed solid fuels for solid propellant rocket engines (solid propellant rocket engines) and in solid fuels for ramjet engines.
Известна композиция смесевого твердого горючего для прямоточных воздушно-реактивных двигателей внешнего и внутреннего дожигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке, которая содержит полиолефин (полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полибутадиен) в качестве горючего, ультрадисперсный порошок металла (порошок бора, алюминия, магния или их смесь) и карборан или его производные - фенилкарборан, изопропилкарборан (патент РФ №2288207).Known composition is a mixed solid fuel for ramjet external and internal afterburning in pre-, supersonic or hypersonic air flow, which contains polyolefin (polyethylene, polypropylene, polybutylene, polybutadiene) as fuel, ultrafine metal powder (boron powder, aluminum , magnesium or a mixture thereof) and carborane or its derivatives - phenylcarborane, isopropylcarborane (RF patent No. 2288207).
Известна добавка к твердому или газообразному топливу, содержащая частицы или наночастицы оксидов, гидроксидов, гидратов и/или карбонатов из группы металлов, содержащей Al, Sb, Mg, Fe, Mo, Zn, Sn и тд. и их сплавы в виде наночастиц, содержащих два или более металлов из группы, включающей аналогичные металлы. Частицы и сплавы могут иметь покрытия из материалов, замедляющих окисление при хранении. Добавка может также изменять и скорость горения. Частицы могут иметь средний размер, от 1 до 100 нм, например, от 5 до 75 нм, или от 10 до 35 нм (патент США №6843861).A solid or gaseous fuel additive is known containing particles or nanoparticles of oxides, hydroxides, hydrates and / or carbonates from the group of metals containing Al, Sb, Mg, Fe, Mo, Zn, Sn, etc. and their alloys in the form of nanoparticles containing two or more metals from the group comprising similar metals. Particles and alloys may be coated with materials that inhibit oxidation during storage. The additive can also change the burning rate. Particles can have an average size of from 1 to 100 nm, for example, from 5 to 75 nm, or from 10 to 35 nm (US patent No. 6843861).
Известен состав, включающий металлические наночастицы и твердый окислитель, и способ приготовления такого состава для использования в твердотопливном ракетном двигателе (патент США №6843868). Состав представляет собой гомогенную смесь заданной стехиометрии, подходящую для использования в твердотопливном ракетном двигателе, из металлических частиц и твердого окислителя. Индивидуальные металлические частицы однородно распределены всюду по твердой матрице окислителя. Состав может включать металлические наночастицы бора, алюминия, один или более фторполимеров в форме частиц. При этом увеличивается полнота сгорания металла и улучшается его воспламеняемость. Добавление фторполимеров также повышает полноту сгорания металлических частиц в случае присутствия окислителей-галогенов. Термодеструкция галогенизированной фторполимерной добавки в зоне горения высвобождает галогены и тем самым способствует горению металлических наночастиц, и увеличивает энерговыделение в силовой установке. Утверждается, что состав топлива безопасен при хранении и использовании, безопасен для окружающей среды, экономически эффективен и может производиться в массовых количествах. Данное изобретение приносит полезный эффект посредством увеличения площади поверхности контакта металла (в наночастицах) и твердого окислителя, чтобы увеличить скорость протекания поверхностных химических реакций и, тем самым, увеличить эффективность сгорания металла, или улучшить его воспламеняемость.A known composition comprising metal nanoparticles and a solid oxidizing agent, and a method for preparing such a composition for use in a solid propellant rocket engine (US patent No. 6843868). The composition is a homogeneous mixture of a given stoichiometry, suitable for use in a solid propellant rocket engine, from metal particles and a solid oxidizer. Individual metal particles are uniformly distributed throughout the solid oxidizer matrix. The composition may include metal nanoparticles of boron, aluminum, one or more particulate fluoropolymers. This increases the completeness of combustion of the metal and improves its flammability. The addition of fluoropolymers also increases the completeness of combustion of metal particles in the presence of halogen oxidizing agents. Thermal degradation of a halogenated fluoropolymer additive in the combustion zone releases halogens and thereby contributes to the combustion of metal nanoparticles, and increases energy release in the power plant. It is argued that the composition of the fuel is safe during storage and use, safe for the environment, cost-effective and can be produced in bulk quantities. This invention brings a beneficial effect by increasing the contact surface area of the metal (in nanoparticles) and a solid oxidizing agent to increase the rate of surface chemical reactions and, thereby, increase the combustion efficiency of the metal, or improve its flammability.
Возможность использования порошков микрометровых частиц металлов в качестве энергетической добавки к жидким компонентам топлива детально изучалась в ходе исследований горючих суспензий - двухфазных систем, состоящих из жидкого топлива и взвешенного в нем металлического порошка. Эксперименты показали, что частицы металлов покрываются оксидной пленкой при взаимодействии с кислородом, растворенным в жидком топливе (керосине и др.), что приводит к снижению их эффективности как энергетической добавки в жидкое топливо. Главным дополнительным препятствием стала проблема, обусловленная седиментацией, то есть осаждением металлического порошка в жидком углеводородном топливе (Штехер М.С., Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1976, 304 с.). Кроме того, в продуктах сгорания в этом случае будет присутствовать жидкий или твердый оксид металла в виде частиц микрометрового размера, взаимодействие которых со стенками сопла будет приводить к их эрозии. Кроме того, вследствие больших времен тепловой и динамической релаксации эти частицы не успевают "подстраиваться" под газовый поток, что приводит к потере удельного импульса ракетного двигателя (потери на двухфазность).The possibility of using powders of micrometer metal particles as an energy additive to the liquid components of the fuel was studied in detail during the study of combustible suspensions - two-phase systems consisting of liquid fuel and a metal powder suspended in it. The experiments showed that metal particles are coated with an oxide film when interacting with oxygen dissolved in liquid fuel (kerosene, etc.), which reduces their effectiveness as an energy additive in liquid fuel. The main additional obstacle was the problem due to sedimentation, that is, the deposition of metal powder in liquid hydrocarbon fuel (M. Shteher, Fuel and the working fluid of rocket engines. - M .: Mashinostroenie, 1976, 304 p.). In addition, in this case, liquid or solid metal oxide in the form of micrometer-sized particles, the interaction of which with the walls of the nozzle will lead to their erosion, will be present in the combustion products. In addition, due to the long times of thermal and dynamic relaxation, these particles do not have time to “adapt” to the gas flow, which leads to the loss of the specific impulse of the rocket engine (loss for two-phase).
Известно использование наночастиц оксида церия в качестве топливной присадки для повышения эффективности жидкого углеводородного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Присадку, содержащую оксид церия и поверхностно-активные вещества (ПАВ), предотвращающие агрегацию частиц (стабилизатор наночастиц), добавляют к топливу перед вводом топлива в автомобиль или другое устройство, включающее двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2352618, Заявка PCT: GB 2004/000294 20040123, WO 2004/065529 20040805). Стабилизатор наночастиц может быть выбран из группы, состоящей из алкоксизамещенной карбоновой кислоты, гидроксикарбоновой кислоты, кетокарбоновой кислоты и их комбинаций, или из группы, состоящей из ди-, три- и тетракарбоновой кислоты и их комбинаций, или из группы, состоящей из 2-[2-(2-метоксиэтокси)этокси]уксусной кислоты, метоксиуксусной кислоты и их комбинаций и др.It is known to use cerium oxide nanoparticles as a fuel additive to increase the efficiency of liquid hydrocarbon fuels for internal combustion engines. An additive containing cerium oxide and surfactants that prevent particle aggregation (nanoparticle stabilizer) is added to the fuel before injecting fuel into a car or other device including an internal combustion engine (RF patent No. 2352618, PCT application: GB 2004 / 000294 20040123, WO 2004/065529 20040805). The nanoparticle stabilizer may be selected from the group consisting of alkoxy substituted carboxylic acid, hydroxycarboxylic acid, ketocarboxylic acid and combinations thereof, or from the group consisting of di-, tri- and tetracarboxylic acids and combinations thereof, or from the group consisting of 2- [ 2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] acetic acid, methoxyacetic acid and combinations thereof, etc.
Известен состав авиационного топлива, содержащего цинковые наночастицы (заявка США №2010/0242350), в основном способствующие уменьшению эмиссии экологически опасных соединений. Авиационное топливо (авиационный бензин) по данному патенту содержит приблизительно от 1 ppm до 280 ppm цинковых наночастиц, где примерно 90 вес.% этих частиц имеют размер от 1 до 200 нм. Реактивное топливо (авиационный керосин) по данному патенту содержит от 5 ppm до 280 ppm цинковых наночастиц, причем приблизительно 90 вес.% этих частиц имеют размер от 5 до 20 нм.The known composition of aviation fuel containing zinc nanoparticles (application US No. 2010/0242350), mainly contributing to the reduction of emissions of environmentally hazardous compounds. The aviation fuel (aviation gasoline) of this patent contains from about 1 ppm to 280 ppm of zinc nanoparticles, where about 90 wt.% Of these particles have a size of from 1 to 200 nm. The jet fuel (aviation kerosene) of this patent contains from 5 ppm to 280 ppm of zinc nanoparticles, with approximately 90 wt.% Of these particles having a size of from 5 to 20 nm.
Повышение энергетической эффективности за счет введения нанокомпонентной алюминиевой добавки в состав жидкого углеводородного топлива, например, авиационный керосин, и т.п., в том числе для современных реактивных двигателей, в том числе газотурбинных (ГТД), жидкостных (ЖРД) и прямоточных воздушно-реактивных (ПВРД) двигателей на жидком углеводородном топливе, а также введение такой добавки в состав газообразного углеводородного топлива (природного газа, метана и т.п.), в литературе не упоминается.Improving energy efficiency due to the introduction of a nanocomponent aluminum additive in the composition of liquid hydrocarbon fuels, for example, aviation kerosene, etc., including for modern jet engines, including gas turbine (GTE), liquid (LRE) and ramjet jet (ramjet) engines using liquid hydrocarbon fuel, as well as the introduction of such an additive in the composition of gaseous hydrocarbon fuel (natural gas, methane, etc.), is not mentioned in the literature.
Под жидким углеводородным топливом далее понимается традиционно углеводородное жидкое топливо (керосин, авиационный керосин, реактивное топливо и т.п.) и сжиженные углеводороды (природный газ, метан и т.п.).Liquid hydrocarbon fuel is hereinafter referred to as traditionally hydrocarbon liquid fuel (kerosene, jet kerosene, jet fuel, etc.) and liquefied hydrocarbons (natural gas, methane, etc.).
В основу изобретения положена задача повышения, за счет нанокомпонентной добавки Al, эффективности горения углеводородного газообразного или жидкого топлива преимущественно для современных двигателей, в том числе ГТД, ЖРД и ПВРД. Техническим результатом является повышение эффективности горения топлива при использовании наноалюминия в качестве энергетической добавки в жидкое углеводородное топливо.The basis of the invention is the task of increasing, due to the nanocomponent addition of Al, the combustion efficiency of hydrocarbon gaseous or liquid fuels mainly for modern engines, including gas turbine engines, rocket engines and ramjet engines. The technical result is to increase the efficiency of fuel combustion when using nanoaluminum as an energy additive in liquid hydrocarbon fuel.
Техническим результатом является также улучшение эмиссионных характеристик, расширение диапазона устойчивой работы камеры сгорания, в том числе улучшение высотного запуска.The technical result is also the improvement of emission characteristics, the expansion of the range of stable operation of the combustion chamber, including the improvement of high-altitude launch.
Поставленная задача решается выбором диаметра (размера) частиц алюминия не более 25 нм в нанокомпонентной энергетической добавке к жидкому углеводородному топливу, что обеспечивает быстрое вскипание и атомизацию алюминия из-за выделения тепла при образовании твердого оксидного слоя Al2O3 в процессе смешения топлива с кислородом и повышение скорости и эффективности энерговыделения, а также температуры продуктов сгорания и сокращение времени задержки воспламенения при горении. Однако не весь алюминий атомизируется и участвует в дальнейшем высокотемпературном горении, часть его остается связанным в твердом оксидном слое, который в горении не участвует.The problem is solved by choosing the diameter (size) of aluminum particles of not more than 25 nm in a nanocomponent energy additive to liquid hydrocarbon fuel, which ensures rapid boiling and atomization of aluminum due to heat generation during the formation of a solid oxide layer of Al 2 O 3 in the process of mixing fuel with oxygen and increasing the speed and efficiency of energy release, as well as the temperature of the products of combustion and reducing the delay time of ignition during combustion. However, not all aluminum is atomized and participates in further high-temperature combustion; part of it remains bound in the solid oxide layer, which is not involved in combustion.
Для увеличения выхода атомизированного алюминия наночастицы покрываются антиоксидантным протектором, который, сгорая, выделяет внутрь частицы тепло, достаточное для полной атомизации всего алюминия в наночастице, и в то же время предотвращает образование на поверхности наночастиц твердого оксидного слоя.To increase the yield of atomized aluminum, the nanoparticles are coated with an antioxidant protector, which, when burned, releases heat inside the particle sufficient to completely atomize all the aluminum in the nanoparticle, while at the same time preventing the formation of a solid oxide layer on the surface of the nanoparticles.
Целесообразно, если в качестве антиоксидантного протектора применен карбид бора с толщиной покрытия 2-5 нм, который одновременно препятствует окислению алюминия при хранении и способствует вскипанию и атомизации алюминиевой частицы, участвуя в горении.It is advisable if boron carbide with a coating thickness of 2-5 nm is used as an antioxidant tread, which simultaneously prevents the oxidation of aluminum during storage and promotes the boiling and atomization of an aluminum particle, participating in combustion.
Поставленная задача решается также тем, что состав углеводородного жидкого топлива или сжиженного газа, кроме вышеуказанной нанокомпонентной добавки, дополнительно включает стабилизатор наночастиц нанокомпонентной добавки для предотвращения агрегации и седиментации, т.е. для предотвращения образования микрочастиц, и для обеспечения устойчивого объемного горения суспензии (нанофлюида), состоящей из жидкого или газообразного углеводородного топлива и добавки металлических нанокомпонентов.The problem is also solved by the fact that the composition of the hydrocarbon liquid fuel or liquefied gas, in addition to the above nanocomponent additives, further includes a nanoparticle stabilizer nanocomponent additives to prevent aggregation and sedimentation, i.e. to prevent the formation of microparticles, and to ensure stable volumetric combustion of the suspension (nanofluid), consisting of liquid or gaseous hydrocarbon fuel and the addition of metal nanocomponents.
Стабилизатор наночастиц выбирают из группы химических веществ: олеиновой, стеариновой, пальмитиновой, лимонной, полиакриловой или додецилфосфатной кислоты, или соевого лецитина.The nanoparticle stabilizer is selected from the group of chemicals: oleic, stearic, palmitic, citric, polyacrylic or dodecyl phosphate acid, or soya lecithin.
Целесообразно для ГТД, ЖРД, РПД и ПВРД, если углеводородное жидкое топливо содержит авиационный керосин, применять одновременно нанокомпонентную добавку и жидкую олеиновую кислоту в качестве стабилизатора наночастиц, при этом концентрация нанокомпонентной добавки в топливе составляет 2-25 мас.%, а концентрация жидкой олеиновой кислоты составляет 20 мас.% от концентрации нанокомпонентной добавки.It is advisable for gas turbine engines, rocket engines, rocket engines and ramjet engines, if hydrocarbon liquid fuel contains aviation kerosene, use a nanocomponent additive and liquid oleic acid as a stabilizer of nanoparticles, while the concentration of nanocomponent additives in the fuel is 2-25 wt.%, And the concentration of liquid oleic acid is 20 wt.% from the concentration of nanocomponent additives.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком.The invention is further illustrated by the description and the figure.
На рис.1 представлен график зависимости отношения тепла Qox/Qv, где Qox теплота, выделяющаяся при оксидировании алюминия (Al), a Qv - теплота, необходимая для испарения наночастицы алюминия, от размера (диаметра) наночастицы алюминия. Видно, что при d<25 нм Qox>Qv, т.е. для таких частиц энергия, выделяющаяся при образовании оксидного слоя на поверхности частицы, достаточна для газификации и атомизации алюминия с разрывом оксидного слоя. Получение алюминиевых частиц нанометрового размера известно и широко применяется на современном уровне техники. Обычные алюминиевые нанопорошки имеют размеры в широком диапазоне, например, 5-300 нм.Figure 1 shows a graph of the relationship of the heat ratio Q ox / Q v , where Q ox is the heat released during the oxidation of aluminum (Al), and Q v is the heat required for the evaporation of the aluminum nanoparticle on the size (diameter) of the aluminum nanoparticle. It can be seen that for d <25 nm Q ox > Q v , i.e. for such particles, the energy released during the formation of the oxide layer on the surface of the particle is sufficient for gasification and atomization of aluminum with a rupture of the oxide layer. Obtaining aluminum particles of nanometer size is known and widely used at the modern level of technology. Conventional aluminum nanopowders have dimensions in a wide range, for example, 5-300 nm.
Однако согласно изобретению для нанокомпонентной энергетической добавки к углеводородному жидкому топливу необходимо использовать наночастицы алюминия, размер которых не более 25 нм. Это вызвано тем, что численным моделированием процессов воспламенения и горения и расчетами, выполненными авторами, доказано, что именно в этом случае из-за выделения тепла при образовании твердого оксидного слоя в процессе смешения топлива с кислородом происходит вскипание алюминия и его почти мгновенная атомизация, приводящая к его высокотемпературному горению в дальнейшем, и, как следствие, повышение скорости и эффективности энерговыделения и температуры продуктов сгорания. Наночастицы алюминия имеют более высокую объемную плотность запасенной энергии, чем углеводороды, и эта энергия может быть извлечена при их сжигании.However, according to the invention, it is necessary to use aluminum nanoparticles with a size of not more than 25 nm for a nanocomponent energy additive to hydrocarbon liquid fuel. This is due to the fact that by numerical simulation of the ignition and combustion processes and the calculations performed by the authors, it was proved that in this case, due to heat generation during the formation of a solid oxide layer during the mixing of fuel with oxygen, aluminum boils and its almost instantaneous atomization leads to to its high-temperature combustion in the future, and, as a consequence, an increase in the speed and efficiency of energy release and the temperature of the combustion products. Aluminum nanoparticles have a higher bulk density of stored energy than hydrocarbons, and this energy can be extracted by burning them.
При d<25 нм имеет место случай эффективного использования наночастиц алюминия, когда добавка обеспечивает быстрое вскипание и атомизацию алюминия из-за выделения тепла при образовании твердого оксидного слоя в процессе смешения топлива с кислородом-окислителем, и, как следствие, достигается повышение скорости и эффективности энерговыделения и увеличение температуры продуктов сгорания.For d <25 nm, there is a case of efficient use of aluminum nanoparticles, when the additive provides rapid boiling and atomization of aluminum due to heat generation during the formation of a solid oxide layer during the mixing of fuel with oxygen-oxidizing agent, and, as a result, an increase in speed and efficiency is achieved energy release and increase in temperature of combustion products.
Однако если указанный нанопорошок алюминия добавить непосредственно в жидкое углеводородное топливо, то при некотором времени хранения поверхность наночастиц алюминия оксидируется растворенным в топливе кислородом, и при прогреве частиц в составе жидкого углеводородного топлива произойдет лишь частичное вскипание и атомизация алюминия (часть алюминия тратится на образование Al2O3), который участвует в процессе горения. Твердый оксид алюминия поверхностного слоя не участвует в процессе горения, что приводит к снижению теплового эффекта реакций горения.However, if the indicated aluminum nanopowder is added directly to liquid hydrocarbon fuel, then after some storage time, the surface of aluminum nanoparticles is oxidized by oxygen dissolved in the fuel, and when the particles in the liquid hydrocarbon fuel are heated, only partial boiling and atomization of aluminum will occur (part of the aluminum is spent on the formation of Al 2 O 3 ), which is involved in the combustion process. Solid alumina of the surface layer is not involved in the combustion process, which leads to a decrease in the thermal effect of combustion reactions.
Поэтому согласно изобретению для предотвращения окисления, наночастицы алюминия необходимо покрывать антиоксидантным протектором. Для покрытия в качестве антиоксидантного протектора может быть применен карбид бора (ВС) либо борид алюминия (AlB2) с толщиной покрытия 2-5 нм. Покрытие из ВС или AlB2 предотвращает оксидирование наночастиц кислородом, в том числе растворенным в углеводородном топливе, способствует вскипанию и атомизациии алюминия при собственном сгорании, давая к тому же дополнительный тепловой эффект по сравнению с керосином, т.е. покрытие с точки зрения энергетической эффективности не является "балластом", как в случае Al2O3, и не только способствует вскипанию и атомизации алюминиевой частицы, но и само участвует в горении.Therefore, according to the invention, to prevent oxidation, aluminum nanoparticles must be coated with an antioxidant tread. For coating, boron carbide (BC) or aluminum boride (AlB 2 ) with a coating thickness of 2-5 nm can be used as an antioxidant tread. A coating of BC or AlB 2 prevents oxidation of nanoparticles with oxygen, including dissolved in hydrocarbon fuels, promotes boiling and atomization of aluminum during self-combustion, giving an additional thermal effect compared to kerosene, i.e. from the point of view of energy efficiency, the coating is not a “ballast”, as in the case of Al 2 O 3 , and not only promotes the boiling and atomization of an aluminum particle, but also participates in combustion itself.
Покрытие, например, карбидом бора алюминиевых частиц может быть осуществлено следующим образом. В проточную камеру в потоке инертного газа (например, Ar) подают частицы алюминия. В камере в процессе абляции соответствующих твердых подложек под действием специального лазера создают атмосферу паров бора и углерода. На частицах алюминия происходит гетерогенная конденсация паров В и С с образованием покрытия из карбида бора, контролируемой толщины. Формирование требуемой толщины покрытия определено строго заданным временем, которое задается скоростью потока в камере. Для покрытия в качестве антиоксидантного протектора может быть применен ВС или борид алюминия AlB2 с толщиной покрытия 2-5 нм.Coating, for example, with boron carbide aluminum particles can be carried out as follows. Aluminum particles are fed into the flow chamber in an inert gas stream (e.g., Ar). In the chamber during the ablation of the corresponding solid substrates under the action of a special laser, an atmosphere of boron and carbon vapors is created. Heterogeneous condensation of vapors B and C occurs on aluminum particles with the formation of a coating of boron carbide of controlled thickness. The formation of the required coating thickness is determined by a strictly specified time, which is determined by the flow rate in the chamber. For coating as an antioxidant tread can be applied BC or aluminum boride AlB 2 with a coating thickness of 2-5 nm.
Выходящую из камеры смесь инертного газа, частиц алюминия и остатков паров В и С очищают от последних двух примесей (остатков В и С) и барботируют под давлением через жидкое углеводородное топливо. В процессе барботажа, с одной стороны, происходит внедрение наночастиц алюминия в жидкое топливо, а, с другой стороны, оставшийся после барботажа инертный газ аргон насыщается парами керосина. Пары керосина конденсируются на оставшихся в аргоне наночастицах алюминия, которые вырастают в капли микронного размера и могут быть легко отсепарированы и добавлены к основному объему полученной суспензии.The mixture of inert gas, aluminum particles, and vapor residues B and C leaving the chamber is cleaned of the last two impurities (residues B and C) and sparged under pressure through liquid hydrocarbon fuel. In the process of bubbling, on the one hand, aluminum nanoparticles are introduced into liquid fuel, and, on the other hand, the inert argon gas remaining after bubbling is saturated with kerosene vapor. Kerosene vapors condense on aluminum nanoparticles remaining in argon, which grow into micron-sized droplets and can be easily separated and added to the bulk of the resulting suspension.
Однако в жидком углеводородном топливе с наночастицами алюминия, даже с покрытием антиоксидантным протектором, в том числе карбидом бора или боридом алюминия, через некоторое время хранения (время до сжигания) может происходить агрегация частиц и седиментация агрегатов, то есть осаждение крупных агрегатов частиц микронного размера в жидком углеводородном топливе.However, in liquid hydrocarbon fuels with aluminum nanoparticles, even coated with an antioxidant protector, including boron carbide or aluminum boride, particle aggregation and sedimentation of aggregates can occur after some storage time (time before burning), i.e., large aggregates of micron-sized particles precipitate in liquid hydrocarbon fuel.
Поэтому согласно изобретению в топливо добавлен стабилизатор наночастиц для предотвращения агрегации и седиментации с целью получения устойчивого объемного горения суспензии (нанофлюида) из металлических нанокомпонентов и жидкого углеводородного топлива.Therefore, according to the invention, a nanoparticle stabilizer is added to the fuel to prevent aggregation and sedimentation in order to obtain stable volumetric combustion of the suspension (nanofluid) from metal nanocomponents and liquid hydrocarbon fuel.
Стабилизатор наночастиц выбирают из следующей группы веществ - олеиновой, стеариновой, пальмитиновой, лимонной, полиакриловой или додецилфосфатной кислоты, или соевого лецитина.The nanoparticle stabilizer is selected from the following group of substances - oleic, stearic, palmitic, citric, polyacrylic or dodecyl phosphate acid, or soya lecithin.
Пример лучшего осуществления изобретенияAn example of a better embodiment of the invention
В состав керосина для ГТД, ЖРД или РПД или ПВРД вводят стабилизатор - олеиновую кислоту. Олеиновую кислоту непосредственно в жидком виде добавляют в керосин и смешивают, что не представляет технической сложности.The stabilizer, oleic acid, is introduced into the composition of kerosene for gas turbine engines, rocket engines or rocket engines or ramjet engines. Oleic acid directly in liquid form is added to kerosene and mixed, which is not a technical difficulty.
Молекула олеиновой кислоты является дифильной, то есть, содержит сильно полярную концевую группу и объемный неполярный фрагмент длиной около 2.3 нм. Притягиваясь к металлической частице полярной концевой группой, молекулы олеиновой кислоты создают адсорбционный слой толщиной примерно 2 нм. При такой толщине адсорбционного слоя могут быть стабилизированы лишь частицы не слишком большого размера. Действительно, характерный радиус r действия Ван-дер-Ваальсовых сил (так называемый радиус сферы захвата), в пределах которого энергия взаимодействия частиц много больше, чем их средняя кинетическая энергия, приблизительно равен r=1.15а, где а - радиус частиц [2] - Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1964. - 574 с. Следовательно, толщина адсорбционного слоя h молекулы ПАВ должна быть больше чем 0.15а. Таким образом, при стабилизации нанофлюида с помощью олеиновой кислоты радиус частиц должен находиться в пределах 10-15 нм (что не противоречит вышеуказанному ограничению на диаметр частиц - меньше 25 нм). Для керосина и близких к нему углеводородных жидкостей именно олеиновая кислота C8H17CH наиболее целесообразна для предотвращения седиментации, т.к. ее теплота сгорания 40.9 МДж/кг близка к теплоте сгорания керосина.The oleic acid molecule is diphilic, that is, it contains a strongly polar end group and a bulk non-polar fragment with a length of about 2.3 nm. Being attracted to the metal particle by the polar end group, the oleic acid molecules create an adsorption layer with a thickness of about 2 nm. With such a thickness of the adsorption layer, only particles of not too large size can be stabilized. Indeed, the characteristic radius r of the action of the Van der Waals forces (the so-called radius of the capture sphere), within which the interaction energy of the particles is much greater than their average kinetic energy, is approximately equal to r = 1.15a, where a is the radius of the particles [2] - Voyutsky S.S. Colloid chemistry course. - M.: Chemistry, 1964 .-- 574 p. Therefore, the thickness of the adsorption layer h of the surfactant molecule should be more than 0.15a. Thus, when stabilizing the nanofluid with oleic acid, the particle radius should be in the range of 10-15 nm (which does not contradict the above restriction on the particle diameter — less than 25 nm). For kerosene and related hydrocarbon liquids, it is oleic acid C 8 H 17 CH that is most suitable for preventing sedimentation, since its calorific value of 40.9 MJ / kg is close to the calorific value of kerosene.
Покрытие карбидом бора или боридом алюминия алюминиевых частиц осуществляют вышеописанным образом: в проточную камеру в потоке инертного газа (например, Ar) подаются частицы алюминия. В камере в процессе абляции соответствующих твердых подложек под действием специального лазера создается атмосфера паров бора и углерода. На частицах алюминия происходит гетерогенная конденсация паров В и С в течение строго заданного времени (которое задается скоростью потока в камере) с образованием покрытия из карбида бора контролируемой толщины. Выходящая из камеры смесь инертного газа, частиц алюминия и остатков паров В и С очищается от последних двух примесей и барботируется под давлением через керосин, в который уже добавлена олеиновая кислота (смешение олеиновой кислоты в жидком виде с керосином не представляет технической сложности). В процессе барботажа, с одной стороны, происходит внедрение наночастиц в керосин, газ аргон насыщается парами керосина. Пары керосина конденсируются на оставшихся в аргоне наночастицах алюминия, которые вырастают в капли микронного размера и могут быть легко отсепарированы и добавлены к основному объему полученной суспензии.The coating of aluminum particles with boron carbide or aluminum boride is carried out as described above: aluminum particles are fed into the flow chamber in an inert gas stream (for example, Ar). In the chamber during the ablation of the corresponding solid substrates under the action of a special laser, an atmosphere of boron and carbon vapors is created. Heterogeneous condensation of vapors B and C occurs on aluminum particles over a strictly specified time (which is determined by the flow rate in the chamber) with the formation of a coating of boron carbide of controlled thickness. The mixture of inert gas, aluminum particles, and residual vapors B and C leaving the chamber is cleaned of the last two impurities and is bubbled under pressure through kerosene, into which oleic acid has already been added (mixing oleic acid in liquid form with kerosene is not a technical difficulty). In the process of bubbling, on the one hand, nanoparticles are introduced into kerosene, argon gas is saturated with kerosene vapors. Kerosene vapors condense on aluminum nanoparticles remaining in argon, which grow into micron-sized droplets and can be easily separated and added to the bulk of the resulting suspension.
При этом концентрация нанокомпонентной добавки в топливе составляет 2-25 мас.%, а концентрация жидкой олеиновой кислоты составляет 20 мас.% от концентрации нанокомпонентной добавки.The concentration of nanocomponent additives in the fuel is 2-25 wt.%, And the concentration of liquid oleic acid is 20 wt.% Of the concentration of nanocomponent additives.
Полученное топливо имеет более высокую теплотворную объемную способность, более высокую плотность, чем у керосина, и, кроме того, имеет более короткое время и более низкую температуру воспламенения.The resulting fuel has a higher calorific value, higher density than kerosene, and, in addition, has a shorter time and lower ignition temperature.
Так, например, полученное суспензионное горючее на основе керосина с добавкой 10% вес. наноалюминия имеет меньшую в 2-3 раза задержку самовоспламенения по сравнению с задержкой самовоспламенения керосина без добавок (при температуре 650-750 К и давлении 1 атм) и с энергией прямого инициирования детонации в трубе - не менее чем в 1.5-2 раза ниже, чем для чистого керосина. Причем температура во фронте пламени увеличивается не менее чем на 100 К.For example, the resulting slurry fuel based on kerosene with the addition of 10% weight. nanoaluminium has a 2–3-fold lower self-ignition delay compared to the self-ignition delay of kerosene without additives (at a temperature of 650–750 K and a pressure of 1 atm) and with the energy of direct initiation of detonation in a pipe — not less than 1.5–2 times lower than for pure kerosene. Moreover, the temperature in the flame front increases by at least 100 K.
Предложенные для улучшения качеств керосина, как топлива, действия могут быть осуществлены аналогично для сжиженного природного газа или метана.Proposed to improve the quality of kerosene as a fuel, actions can be carried out similarly for liquefied natural gas or methane.
Из наших расчетов и численного моделирования следует, что добавка наночастиц алюминия (10% по массе от метана) для стехиометрической смеси с воздухом при атмосферном давлении и температуре 1000 К приводит к уменьшению задержки самовоспламенения метана в 80 раз.It follows from our calculations and numerical simulations that the addition of aluminum nanoparticles (10% by mass of methane) for a stoichiometric mixture with air at atmospheric pressure and a temperature of 1000 K leads to a decrease in the self-ignition delay of methane by 80 times.
Кроме улучшения энергетической эффективности происходит улучшение стабильности горения, увеличение полноты сгорания, снижение вредных выбросов, снижение сажеобразования, подавление процессов эрозии и образования нагара в камере сгорания многократного использования.In addition to improving energy efficiency, there is an improvement in combustion stability, an increase in the completeness of combustion, a reduction in harmful emissions, a reduction in soot formation, a suppression of the processes of erosion and the formation of soot in a reuse combustion chamber.
Данное изобретение может найти применение в ГТД, ЖРД, РПД и ПВРД на жидком топливе.This invention may find application in gas turbine engines, rocket engines, rocket engines and ramjet engines on liquid fuel.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013112877/04A RU2529035C1 (en) | 2013-03-25 | 2013-03-25 | Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013112877/04A RU2529035C1 (en) | 2013-03-25 | 2013-03-25 | Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2529035C1 true RU2529035C1 (en) | 2014-09-27 |
Family
ID=51656510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013112877/04A RU2529035C1 (en) | 2013-03-25 | 2013-03-25 | Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2529035C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2633730C1 (en) * | 2016-10-31 | 2017-10-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method of working process organizing in direct-flow air jet engine |
| RU2777804C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-10 | Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for stabilizing the combustion process in the combustion chamber of an aircraft engine |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| UA30741U (en) * | 2007-11-12 | 2008-03-11 | Николай Васильевич Косинов | Nanocomposition of aqueous fuel emulsion |
| WO2009005944A1 (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-08 | James Kenneth Sanders | Nano-sized metal and metal oxide particles for more complete fuel combustion |
| RU2444560C1 (en) * | 2010-07-01 | 2012-03-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Metal-containing fuel dope, method of its production and application |
-
2013
- 2013-03-25 RU RU2013112877/04A patent/RU2529035C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009005944A1 (en) * | 2007-06-28 | 2009-01-08 | James Kenneth Sanders | Nano-sized metal and metal oxide particles for more complete fuel combustion |
| UA30741U (en) * | 2007-11-12 | 2008-03-11 | Николай Васильевич Косинов | Nanocomposition of aqueous fuel emulsion |
| RU2444560C1 (en) * | 2010-07-01 | 2012-03-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) | Metal-containing fuel dope, method of its production and application |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2633730C1 (en) * | 2016-10-31 | 2017-10-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method of working process organizing in direct-flow air jet engine |
| RU2777804C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-10 | Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for stabilizing the combustion process in the combustion chamber of an aircraft engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gan et al. | Combustion of nanofluid fuels with the addition of boron and iron particles at dilute and dense concentrations | |
| Ojha et al. | Effect of crystallinity on droplet regression and disruptive burning characteristics of nanofuel droplets containing amorphous and crystalline boron nanoparticles | |
| Tanvir et al. | Effect of addition of energetic nanoparticles on droplet-burning rate of liquid fuels | |
| Guerieri et al. | Stabilized microparticle aggregates of oxygen-containing nanoparticles in kerosene for enhanced droplet combustion | |
| Guerieri et al. | Nanoaluminum/Nitrocellulose microparticle additive for burn enhancement of liquid fuels | |
| KR20110128266A (en) | Modulation of combustion rates in fuels | |
| Zhu et al. | Nano-sized copper oxide enhancing the combustion of aluminum/kerosene-based nanofluid fuel droplets | |
| Ao et al. | Ignition and combustion characteristics of boron-based nanofluid fuel | |
| US7611550B2 (en) | Slurry fuels and associated methods | |
| RU2529035C1 (en) | Nano-component energy supplement and liquid hydrocarbon fuel | |
| Liu et al. | Combustion characteristics of nanofluid fuels in a half-opening slot tube | |
| Akhter et al. | Energetic additives for hybrid rocket propulsion-Review | |
| Guerieri et al. | Droplet combustion of kerosene augmented by stabilized nanoaluminum/oxidizer composite mesoparticles | |
| Wang et al. | Experimental study on aerosol explosion characteristics and flame propagation behavior of aluminum/ethanol nanofluid fuel | |
| Küçükosman et al. | Combustion characteristics of gasoline fuel droplets containing boron-based particles | |
| Mao et al. | Improving the ignition and combustion of JP10/boron-based nanofluid fuel droplets by the interaction of PTFE and boron | |
| Glushkov et al. | Ignition and combustion behavior of gel fuel particles with metal and non-metal additives | |
| Kumar et al. | Impact of nano-silicon fuel additive on combustion, performance and emission of a twin cylinder CI engine | |
| RU2646933C1 (en) | Nanocomposite solid fuel for ramjet | |
| Kannaiyan et al. | Application of nanoparticles in clean fuels | |
| Fujita et al. | Performance evaluation of WAX-based solid fuel for hybrid rocket by Mg-Al powder addition | |
| Ojha et al. | Effect of particle size on droplet regression, break-up and combustion characteristics of boron-laden jet fuel droplet | |
| Rajesh et al. | A review on nanoparticles as fuel additives in biodiesel | |
| TWI398512B (en) | Compound emulsion fuel solvents, compound emulsion fuel solutions produced with the solvents and water, the method of producing the solvents and solutions, and their applications | |
| Shi et al. | Study on the combustion characteristics and reaction mechanism of aluminum/alcohol-based nanofluid fuel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210804 |