用於製備和輸送燃料的設備和方法

2023-06-15 19:38:46

專利名稱：用於製備和輸送燃料的設備和方法
技術領域：
本發明涉及燃料的製備和輸送。更詳細地說，按照本發明的一種設備和方法提供至少一個用於氣化燃料的被加熱的毛細流動通道。
產生細原子化流體噴霧的能力有利於許多各不相同的用途，包括製造工業用的襯底、給內燃機和外燃機加燃料的燃燒系統加燃料、用於生產藥物產品的直徑均勻的微粒的生成、用作試驗標準和電子工業中各種用途的小微粒的生產，其中薄膜沉積技術常用於形成電阻器、電容器和其它元件。
通常，液體燃料燃燒的完全性和潔淨程度取決於燃料/空氣比、燃燒室的機械和空氣動力學設計、燃料種類、燃料噴射器設計和燃料液滴粒徑分布。最近幾年燃燒系統設計的主要驅動力是減少燃燒產生的排出物。這已用於範圍廣泛的用途，從住戶加熱設備到汽車內燃機到燃氣輪機到工業爐和多用爐。液體燃料製備方法對最終排出物特別是一氧化碳(CO)、未燃燒的碳氫化合物(HC)和菸灰產生非常顯著的影響。因此，在從液體燃料燃燒裝置連續減少排出物的工作中，已有很多努力指向發展簡單而成本效益好的方法來輸送氣化燃料或極細的燃料液滴。
在任何給定的液體燃料燃燒用途中，減小液滴直徑能提供若干好處，包括改善點火特性、減少液滴對室壁的撞擊、更快地蒸發液滴、減少CO、HC或菸灰排放，以及能用低揮發性(或較重的)液體燃料操作。雖然液滴形式的燃料可以輸向燃燒室，但在燃料成分能與燃燒空氣中氧反應之前該液體必須蒸發。大的液滴蒸發緩慢，在流出燃燒室之前不可能完全蒸發和反應，從而產生較高的排出物。
特別是，在尺寸非常小的燃燒系統(如小於1020kg-m/sec(10KW)熱量釋放)的情況下，獲得小的液滴直徑的重要性更為關鍵，特別對低揮發性的燃料如柴油或噴氣發動機燃料。此外，這些小尺寸的系統需要不使用大量動力來製備燃料的簡單的燃料輸送系統。因此，許多傳統的燃料輸送方法(如壓力霧化、雙流體或雙聯霧化、超聲霧化)不能用於小尺寸系統，因為流動速率太大；液滴太大；需要的供應壓力太大或需要額外的霧化液體。因此，許多小尺寸的燃料系統對氣態液料是限用的。
已經提出許多減小輸送的燃料噴霧的粒徑的方法。例如，美國專利No.5,127,822中公開了一種用超聲霧化裝置霧化燃料的燃燒裝置。按照該專利，提出的霧化器中燃料以細霧滴形式供應到燃燒室，以加速燃料的氣化和減少燃料穩定燃燒所需的時間。
美國專利No.5,127,822描述了一種裝置，其中燃料預期以5cc/min供應，據說燃料霧化成Sauter平均直徑(SMD)為40μm的液滴。美國專利No.6,095,436和No.6,102,687中提出了其它霧化技術。美國專利No.4,986,248中提出了一種預期用於向內燃機供應燃料的超聲霧化器。
美國專利No.4,013,396提出了一種燃料氣溶膠化的設備，其中將碳氫化合物燃料(如汽油、燃料石油、煤油等)配送入冷凝區而形成氣溶膠燃料，據說產生粒徑小於1μm的相當均勻的液滴。該氣溶膠化的燃料預期與空氣混合而提供一種所要的空氣-燃料比並在燃燒器的燃燒區內燃燒。提出一種熱交換器來將熱量從燃燒的燃料輸送到一種載帶熱量的介質如空氣、氣體或液體。
在美國專利No.5,472,645中，提出了一種燃料氣化裝置來解決與內燃機中燃料氣溶膠的不完全燃燒有關的某些問題。按照美國專利No.5,472,645，因為氣溶膠燃料液滴不點燃和在內燃機中燃燒不完全，所以未燃燒的燃料殘滓作為汙染物如碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和與氮氧化物(NOx)伴生的乙醛而從發動機中排出。美國專利No.5,472,645提出，通過將液體燃料破碎為氣化的或氣相元素的空氣和流體流而改善氣溶膠燃料的燃燒。據說這些元素包含某些高分子量的碳氫化合物的非氣化的氣溶膠，據說較輕的燃料成分迅速蒸發為氣相，與空氣混合而送往內燃機。據說，較重的燃料部分在其能流出一個旋風器渦流裝置而進入發動機的吸氣歧管之前被轉變為氣相的氣化狀態。
美國專利No.4,344,404提出了一種設備，用於向內燃機或燃燒器供給與空氣混合的氣溶膠化的燃料液滴，據說這些燃料液滴的粒徑為0.5～1.5μm。氣溶膠形式的液體燃料與空氣混合，空氣-燃料比為約18∶1，目的是降低發動機的排放值CO、HC和NOx。
若干專利公開了用於氣化液體的技術。例如，共同轉讓的美國專利No.5,743,251和No.6,234,167公開了在一加熱的毛細管中氣化液體的氣溶膠發生器；Takeuchi的美國專利No.6,155,268公開了利用毛細管作用通過流動通道將液體香料供給到置於該流動通道端部的加熱器而氣化該液體香料；Young的美國專利No.5,870,525公開了利用毛細管作用通過一供應芯線將液體從液池通向鍋爐芯線，其中將液體加熱而變為蒸汽；Horie等人的美國專利No.6,195,504公開了在一流動通道內加熱液體而產生蒸汽。
美國專利No.3,716,416公開了一種預期用於燃料電池系統的燃料計量裝置。該燃料電池系統預期是自動調節的，在一預定電平產生電力。該提議的燃料計量系統包括一個毛細流動控制裝置，用於根據燃料電池的電力輸出而節制燃料流量，而不是提供用於其後燃燒的改進的燃料製備。相反，燃料預期送入燃料電池而轉換成H2。在一優選的實施例中，該毛細管用金屬製成而毛細管本身用作與燃料電池的電力輸出成電接觸的電阻器。因為蒸汽的流動阻力大於液體的流動阻力，所以當電力輸出增大時，流量受到節制。建議使用的燃料包括通過加熱易於從液體變成汽相且能自由地流過毛細管的任何液體。氣化似乎以在汽車發動機中產生蒸汽鎖的方式達到。
美國專利No.6,276,347提出了一種用於達到液體的霧化和氣化的超臨界或近超臨界的霧化器和方法。據說美國專利No.6,276,347的超臨界霧化器能夠將重燃料用於點燃通常燃燒汽油的小型輕量的低壓縮比的火花點火的活塞發動機。該霧化器預期通過將燃料移向其超臨界溫度和將燃料釋放到與燃料有關的相圖中的氣體穩定區上的低壓區內而從液體產生細霧滴的噴霧，從而造成燃料的細霧化或氣化。公開的用途例如有內燃機、科學設備、化學處理、廢料處置控制、清除、蝕刻、昆蟲控制、表面改性、增溼和氣化。
為了儘可能減小分解，美國專利No.6,276,347建議將燃料保持在超臨界溫度以下，直到通過用於霧化的限流器的遠端。對於某些用途，需要僅僅加熱限流器的尖端來儘可能減小化學反應或沉澱的可能性。這就是說，減小否則會從溶液中析出的燃料流中的雜質、反應物或物質有關的問題。在或接近超臨界壓力處進行工作建議該燃料供應系統在21.1～56.2kg/cm2(300～800psig)的範圍內操作。雖然使用超臨界壓力和溫度可能減小霧化器的堵塞，但似乎需要使用一個更加相當昂貴的燃料泵以及能夠在這些升高壓力下操作的燃料管線、配件等。
在一方面，本發明指向一種用於氣化從液體燃料源引來的液體燃料的設備，該設備包括(a)至少一個有一入口端部和出口端部的毛細流動通道；(b)一個流體控制閥，用於使所述至少一個毛細流動通道的所述入口端部與液體燃料源成流體連通並引導基本上液態的液體燃料；(c)一個沿所述至少一個毛細流動通道設置的熱源，所述熱源可以操作而將所述至少一個毛細流動通道中的液體燃料加熱到足以將其至少一部分從液態變為氣態的水平，並從所述至少一個毛細流動通道的所述出口端部輸送一股基本上氣化的燃料流；以及(d)用於清除在操作該設備期間形成的沉積物的機構。
在另一方面，本發明指向一種氣化燃料的方法，包括以下步驟(a)向至少一個毛細流動通道供應液體燃料；(b)通過加熱該至少一個毛細流動通道中的液體燃料而使一股基本上氣化的燃料流通過該至少一個毛細流動通道的出口；以及(c)定期地清除該至少一個毛細流動通道中的沉積物。
現在參照附圖作為不起限制作用的例子描述本發明的不同的實施例，附圖中

圖1是部分省略的能夠原位清除沉積物的單個毛細管燃料噴射器；圖2表示一種能夠用於實施圖4中所示的系統的多毛細管裝置；圖3表示圖2中所示裝置的端視圖；圖4表示一種按照本發明的能夠用於氧化多毛細管裝置中的沉積物的系統的細部，該裝置能用於輸送氣化燃料；圖5表示一種將燃料和任選的氧化氣體輸送到一毛細流動通道的控制系統的示意圖；圖6表示一種利用燃燒熱預熱液體燃料的裝置的示意圖；圖7是部分省略的能夠通過擦去其中形成的沉積物而原位清除的另一種單個毛細管燃料噴射器；圖7A是圖7的毛細管燃料噴射器的放大的截面圖；圖8表示一種無添加劑的汽油的燃料流動速率對時間的圖線，表明氧化清除的優點；圖9是一種商品級汽油的燃料流動速率對時間的圖線；圖10是比較各種汽油的燃料流動速率對時間的圖線；圖11是比較噴氣發動機燃料和No.2柴油燃料的燃料流動速率對時間的圖線；圖12是一種無添加劑的柴油燃料的燃料流動速率對時間的圖線，表明氧化清除的效果；以及圖13是比較一種無添加劑的柴油燃料和一種含抗汙垢添加劑的柴油燃料的燃料流動速率對時間的圖線。
現在參考圖1～13中所示的實施例，圖中相同標號用於表示相同部件。
本發明提供一種燃料輸送裝置，該裝置實際上用於任何需要一股霧化的或氣化的液體燃料的用途。該液體燃料可以是任何種類的碳氫化合物燃料，如噴氣發動機燃料、汽油、煤油或柴油燃料，以及氧化劑如甲醇、乙醇、甲基叔丁基醚以及碳氫化合物燃料和氧化劑的混合物。該燃料輸送裝置包括至少一個毛細流動通道，該通道能加熱液體燃料如氣化燃料或氣化燃料和任選的另一流體的混合物，它們能提供給後續燃料的用途。或者是，該氣化燃料可以任選地與任一流體如水或蒸汽混合而供給重整爐或燃料處理器。有利的是，本發明的燃料製備和輸送設備能用低功率和極短的預熱時間操作。
當起動使用傳統燃料系統的發動機時，因為只有相當少的液體燃料氣化，所以必須向該用途提供過量的液體燃料，以便獲得易於點火的空氣-燃料混合物。過分供給燃料通常導致不希望有的廢氣排出物，包括一氧化碳和未燃燒的碳氫化合物。在較低的發動機起動溫度下，通常會提高過分供給燃料的程度，從而加重在起動期間產生的廢氣排放。
本發明的設備和方法能直接或間接地向發動機輸送已基本上氣化的燃料以用於後續的燃燒，從而減少或消除了在冷起動和預熱狀態期間過分供給燃料的需要。此外，在發動機的正常操作溫度下，可以控制空氣/燃料混合物，使得實際上有效地燃燒全部燃料，從而減少排出物。
在一個優選的實施例中，本發明的設備與一個供應液體燃料的液體燃料源一起使用，該液體燃料源連接至少一個毛細流動通道，沿該至少一個毛細流動通道設置一熱源。該熱源可以操作而充分地加熱該至少一個毛細流動通道，從而輸送一股可以任選地包含少量尚未氣化的加熱液體燃料。該燃料氣化裝置優選地受到操作而將一股氣化燃料輸送到該用途。
本發明也提供一種將燃料輸送到一種用途以供後續燃燒的方法，包括的步驟有將液體燃料供給至少一個毛細流動通道，以及充分地加熱該至少一個毛細流動通道中的液體燃料，使得一股基本上氣化的燃料被輸送到該用途。
按照本發明的一種燃料氣化系統包括至少一個毛細管尺寸的流動通道，液體燃料在輸送到該用途而用於燃燒之前先通過該毛細流動通道。沿毛細流動通道外加熱量，使得進入該流動通道的液體燃料的至少一部分當其沿該通道行進時被轉化為蒸汽。該燃料作為蒸汽而流出毛細通道，該蒸汽可以任選地包含少量尚未氣化的加熱的液體燃料。「基本上氣化」指至少50％的液體燃料被熱源氣化，優選地為至少70％，最優選地為至少80％的液體燃料。該氣化燃料可以與空氣混合而形成氣溶膠，其液滴平均直徑為25μm或更小，優選地為10μm或更小，最優選地為5μm或更小。
該毛細管尺寸的流動通道最好在一毛細管主體如單獨的或多層的金屬、陶瓷或玻璃主體中形成。該通道有一個向一入口和一出口開孔的封閉體積，入口和出口之一可以向毛細管主體的外部開口，或者可以連接在同一主體或另一主體體內的另一通道上或配件上。因為最優選地是儘可能減小熱慣量，所以該加熱器可以通過該主體的一部分如一段不鏽鋼管而形成，或者該加熱器可以是包括在該毛細管主體內或其上的分立的電阻加熱材料的層或絲。該流體通道可以是具有向一入口和一出口開孔並可以通過其流動流體的封閉體積的任何形狀。該流體通道可以有任何所要的截面，優選的截面為直徑均勻的圓形。毛細管流體通道的其它截面包括非圓形，如三角形、方形、矩形、橢圓形或其它形狀，該流體通道的截面不必是均勻的。該流體通道可以沿直線延伸，或者不成直線，可以是單個流體通道或多路徑流體通道。在毛細管通道為金屬毛細管的情況下，其內徑可以為0.01～3mm，優選地為0.1～1mm，最優選地為0.15～0.5mm。或者是，該毛細通道可以由其橫截面積限定，該面積可以為8×10-5～7mm2，優選地為8×10-3～8×10-1mm2，更優選地為2×10-3～2×10-3mm2。單個或多個毛細管、各種壓力、各種毛細管長度、加到毛細管上的各種熱量、以及不同的形狀和截面積，將適用於一種給定的用途。
該毛細管還有一個特性是具有低的熱慣量。「低的熱慣量」指該被加熱的主體(毛細管)的質量足夠低，以致只需極少的時間來加熱到操作溫度。優選地是，毛細流動通道可以極快地帶到氣化燃料所需的溫度，優選地在2.0秒內，更優選地在0.5秒內，最優選地在0.1秒內，這在達到所要溫度時不希望延遲的情況如冷起動和預熱的狀態期間的用途中是有利的。此外，低的熱慣量在一種用途的正常操作期間能提供好處，例如改善該用途對動力需求的突然變化的響應。
在一個實施例中，本發明提供對液體燃料燃燒用途的燃料製備方法和設備。一種燃燒用途是與該用途相關的非常低的液體燃料流動速率如小於0.1克/秒，此時其它燃料製備裝置如傳統的壓力渦旋霧化或鼓風霧化已證明不希望採用或不合適。該裝置能夠在幾十至幾千瓦的化學能範圍內的流動速率下產生具有極小液滴直徑的燃料蒸汽和/或燃料氣溶膠。可以使用平行的多個毛細管來增大總化學能輸出，以便用於較大的燃燒用途。該裝置能產生超細的燃料氣溶膠和/或蒸汽，它們對於製備用於緊湊的燃燒系統中潔淨、有效的燃燒的均勻的燃料/空氣混合物是理想的，並呈現優越的點火特性。
有利的是，本發明的設備能在低的燃料供應壓力(7.0kg-m/sec(100psig)或更低)下操作，從而不需要在或接近燃料的超臨界壓力下供應燃料所需的高成本的重的耗費動力的高壓泵。同樣，本發明的設備不需要較高的空氣供應壓力，從而不需要重的耗費動力的鼓風機。該設備可以用於提供爐子、熱水器等用的液體燃料做動力的領航信號燈，並用於各種各樣的非傳統的液體燃料用途。
按照本發明的設備的一個優點是其點火能量需求的特性。最小的點火能量是一個用於描述通常用一點火器如火花點火器能夠點燃一種霧化的燃料/空氣混合物的容易程度的術語。本發明的裝置能夠提供具有其Sauter平均直徑(SMD)小於25μm，優選地小於10μm而更優選地小於5μm的液滴的氣化燃料和/或氣溶膠，這樣的細氣溶膠能用於改進燃氣輪機和其它燃燒用途中的起動特性和火焰穩定性。此外，對於具有SMD等於或小於25μm的燃料，最小點火能量可以產生非常顯著的減小。例如，如Lefebvre的《燃氣輪機燃燒》(半球出版公司，1983年)的第252頁中討論的，當SMD減小時，與可以點燃霧化的燃料/空氣混合物的容易程度有關的術語Emin顯示出尖銳地減小。最小點火能量粗略地正比於氣溶膠中燃料液滴的Sauter平均直徑(SMD)的立方，SMD是其表面對體積比等於整個噴霧的表面對體積比的液滴的直徑並與該噴霧的質量轉移特性有關。在Lefebvre一書中示出，對於各種燃料，Emin和SMD之間的關係粗略地近似於下述關係LogEmin＝4.5(logSMD)+k；其中Emin以mJ測量，SMD以μm測量，而k為與燃料種類有關的常數。
按照Lefebvre的書，重燃料油在115μm的SMD有約800mJ的最小點火能量，而在50μm的SMD有約23mJ的最小點火能量。異辛烷在90μm的SMD有約9mJ的最小點火能量，而在40μm的SMD有約0.4mJ的最小點火能量。對於柴油燃料，當SMD等於100μm時，Emin為約100mJ。SMD減少約30μm，Emin減少約0.8mJ。可以理解，對於小於25μm的SMD值，點火系統的要求顯著減小。
已經確定，液體燃料通過毛細流動通道的質量流動速率依賴於進入毛細流動通道的液體燃料壓力和加在毛細流動通道上的熱量。如下所述，燃料的蒸汽量和液滴粒徑也依賴於這兩個變量，以及依賴於氣化燃料流進入的熱環境。本發明的燃料氣化裝置能夠通過改變毛細流動通道的長度、毛細流動通道的截面積、所用毛細流動通道的數目、供給毛細流動通道的燃料壓力和/或供給毛細流動通道的熱量而適用於需要一股基本上氣化的燃料流的實際上所有的用途。該技術的專業人員可以理解，利用經驗改變這些變量將產生一種適用於實際上任何需要一熱源的用途。可以認為，小於7.0kg-m/sec(100psig)和各種壓力或甚至小於3.5kg-m/sec(50psig)或更小的壓力可以施加到該液體燃料源上。或者是，對於利用重力輸送的用途，可以不必對該液體燃料源施加外部的壓力源。
在其中燃料-空氣混合物在接近燃料氣化裝置的出口處點火的用途中，燃燒的排出物特性敏感於燃料液滴粒徑分布的品質。高品質的細噴霧促進燃料蒸發並增強混合，從而減小富燃燒的傾向以及相關的煙和灰的產生。已知小液滴既迅速蒸發又極好地遵循流動的流線，因此不易撞擊燃燒器壁。相反，大液滴不易遵循流動流線並能撞擊燃燒器壁，從而產生CO和碳氫化合物排出物及碳沉積物(焦化)。這個問題在火焰高度受限制的系統中更值得注意。因此，本發明的燃料氣化裝置在這些用途中是有利的，因為它們能產生一股氣化燃料流和/或極細液滴的氣溶膠，後者不易撞擊燃燒器壁。
在其中燃料通過一空氣流如利用一歧管而引向燃燒室的用途中，已經發現，液滴直徑太大的氣溶膠將被空氣流載帶，直到該空氣流被一表面如歧管壁轉向，在這些點上滴管撞擊表面而被聚集在壁上。取決於燃料種類，大於25μm的液滴可以在偏轉的表面上撞擊。因為一些燃料被聚集在流動通道的表面上，所以必須噴射額外的燃料以便將足夠的燃料蒸汽輸送到該用途中以產生點火。最終，該聚集的燃料作為未燃燒的燃料和汙染物而燃燒不完全並排放。相反，按照本發明的毛細流動通道能提供一種具有顯著量的小直徑液滴的氣溶膠，這是有利的，因為不管流動路徑如何，小直徑的氣溶膠液滴能被空氣流載帶入該用途中而大大減少排出物地高效燃燒。
在一加熱的毛細管通道中氣化液體燃料期間，碳和/或重碳氫化合物的沉積物能累積在毛細管壁上而可以嚴重地限制燃料流，這可能最終導致堵塞毛細流動通道。這些沉積物累積的速率是毛細管壁溫度、燃料流動速率和燃料種類的函數。相信燃料添加劑可用於減小此類沉積物。但是，如果堵塞發展，可以通過氧化沉積物來清除堵塞。
圖1表示一種按照本發明的用於氣化從液體燃料源引來的液體燃料的設備10。設備10包括一個有一入口端部14和一出口端部16的毛細流動通道12。流體控制閥18用於使毛細流動通道12的入口端部14與液體燃料源F成流體連通，並將基本上液態的液體燃料引入毛細流動通道12。優選的是，流體控制閥18可用電磁線圈28操作。熱源20沿毛細流動通道12設置。最優選的是，熱源20是通過用一根電阻材料的管子形成毛細流動通道而提供的，當在管子的接頭22和24處連接電源以便在其間傳送電流時，該一部分毛細流動通道12形成一個加熱器元件。可以理解，然後熱源20可以操作而將毛細流動通道12中的液體燃料加熱到足以將其至少一部分從液態變為氣態的水平，並從毛細流動通道的出口端部16輸送一股基本上氣化的燃料流。
設備10還包括用於清除在操作設備10期間形成的沉積物的機構。圖1中示出的用於清除沉積物的機構包括流體控制閥18、熱源20和用於使毛細流動通道12與氧化劑源C成流體連通的氧化劑控制閥26。可以理解，該氧化劑控制閥可以安置在毛細流動通道12的任一端部處或其附近，或者做成與毛細流動通道12的任一端部成流體連通。如果該氧化劑控制閥安置在毛細流動通道12的出口端部16處或其附近，那麼它用於使氧化劑源C與毛細流動通道12的出口16成流體連通。在操作中，熱源20用於將毛細流動通道12中的氧化劑C加熱到足以氧化在加熱液體燃料F期間形成的沉積物的水平。在一個實施例中，為了從加燃料方式切換到清除方式，氧化劑控制閥26用於在將液體燃料F和將氧化劑C引入毛細流動通道12之間交替，而當將氧化劑引入所述至少一個毛細流動通道中時，能夠原位清除毛細流動通道中的沉積物。
一種氧化沉積物的技術包括使空氣或蒸汽通過該毛細管。在清除操作期間最好加熱該流動通道，使得能起動和支持該氧化過程，直徑沉積物耗散。為了增強該清除操作，可以利用一種催化物質，或者作為毛細管壁的塗層，或者作為管壁的成分，以降低完成清除所需的溫度和/或減少時間。為了連續地操作該燃料輸送系統，可以使用多於一個的毛細流動通道，使得當例如用傳統感器檢測到堵塞狀態時，可以將燃料流轉向另一毛細流動通道而起動氧化劑流通過待清除的堵塞的毛細流動通道。作為例子，一個毛細管主體中可以包括多個毛細流動通道，並可設置一閥裝置來向每個流動通道選擇地供給液體燃料或空氣。
或者是，可以從一毛細流動通道轉換燃料流而以預定的間隔起動氧化劑流。可以用一控制器來影響燃料向毛細流動通道的輸送。例如，該控制器可以驅動燃料輸送一個預定的時間，而後在該預定的時間後停止燃料輸送。該控制器也可根據一個或多個感知的條件而影響液體燃料的壓力和/或供給毛細流動通道的熱量的調整。這些感知的條件尤其可以包括燃料壓力；毛細管溫度；以及燃料-空氣混合物。該控制器也可以控制附著於該用途的多個燃料輸送裝置。該控制器也可以控制一個或多個毛細流動通道，以便從其清除沉積物或堵塞物。例如，通過對毛細流動通道加熱和對毛細流動通道供應氧化劑流，就可以清除該毛細流動通道的沉積物。
該清除技術也可以用於需要連續操作的燃料氣化裝置。在這種情況下，可以使用多個毛細流動通道。圖2和3中例示本發明的一種示範的多個毛細流動通道燃料氣化裝置。圖2示出一種整體結合到一個單獨裝置94中的多個毛細管組件的示意圖。圖3示出裝置94的端視圖。如圖所示，該裝置可包括三根毛細管82A、82B、82C和一根由實心不鏽鋼杆製成的正電極92。這些毛細管和鋼杆可以支承在電絕緣材料的主體96內，可以通過配件98對毛細管和鋼杆供電。例如，可以將直流電供給到一或多根毛細管的上遊端部，而在毛細管下遊端部處的接頭95可以形成一個通過杆91的電流的返迴路徑。
現在參照圖4，其中多個毛細管系統80包括毛細管82A～82C、燃料供應管線84A～84C、氧化劑源管線86A～86C、氧化劑控制閥88A～88C、動力輸出管線90A～90C以及共用地線92。系統80能夠清除一個或多個毛細管的沉積物，而讓一個或多個另外的毛細管輸送燃料。例如，在清除毛細流動通道82A期間能夠通過毛細流動通道82B和82C燃燒燃料。通過中斷向毛細管82A供給燃料而向該管82A供給空氣並足夠地加熱而氧化毛細流動通道中的沉積物，可以完成毛細流動通道82A的清除工作。因此，在連續地輸送燃料的同時可以清除一個或多個毛細流動通道的沉積物。最好在清除過程中通過一個電阻加熱器或從該用途反饋的熱量而加熱該一個或多個待清除的毛細流動通道。再一次，對於任何給定的毛細流動通道，各次清除之間的時間或者可以根據由實驗確定的已知的堵塞特性而固定，或者按照需要可以利用一傳感和控制系統來檢測沉積物的積累而起動該清除過程。
可以用一控制器來控制向一毛細流動通道的燃料輸送。例如，當該用途的操作開始而在一預置時間後停止燃料輸送時或當接收一信號而停止起動該用途時，該控制器能驅動向一用途輸送燃料，該用途例如是火花點燃的內燃機、柴油發動機、燃燒器、斯特林發動機、燃氣輪機發動機等。該控制器也可根據一個或多個感知的條件而調整該液體燃料的壓力和/或供應到該毛細流動通道的熱量。這些感知的條件尤其可以包括歧管壓力；燃料壓力；毛細管溫度；該用途的溫度；以及廢氣出口處的燃料-空氣混合物。該控制器也可控制附接在該用途上的多個燃料氣化裝置。該控制器可以控制一個或多個毛細流動通道而從通道清除沉積物或堵塞。例如，該控制器可控制多於一個的毛細流動通道以從通道清除沉積物或堵塞物而連續地操作該用途。該控制器可以從一個部分堵塞的毛細流動通道將燃料流轉向到一或多個另外的毛細流動通道，並向該部分堵塞的毛細流動通道起動氧化氣流和熱量，直到該毛細流動通道清除掉沉積物。
圖5表示一個按照本發明的控制系統的示範示意圖，該控制系統用於操作一個燃燒系統，該燃燒系統包括一個氧化氣體源，用於清除堵塞的毛細通道。該控制系統包括一個控制器100，可以操作地連接在燃料源102上，後者向一流動通道如毛細管104供給燃料和可以任選的空氣。該控制器也可以操作地連接電源106上，後者向一電阻加熱器或直接向金屬毛細管104輸送電力，以便將該毛細管充分地加熱而氣化燃料。如果需要，該燃燒系統可以包括多個流動通道和可操作地連接在控制器100上的加熱器。控制器100可以操作地連接在一個或多個信號輸送裝置如通斷開關、熱電偶、燃料流動速率傳感器、空氣流動速率傳感器、動力輸出量傳感器、蓄電池充電傳感器等，由此，控制器100可以根據由輸送信號的裝置輸出到控制器的信號來編製程序而自動控制燃燒系統的操作。
在操作中，本發明的裝置可以做成反饋在燃燒期間產生的熱量，使得液體燃料當其通過毛細管時被加熱到足以使液體燃料氣化，從而減少或免去或補充用電力或其它方法加熱毛細流動通道的需要。例如，該毛細管可以做得更長，以增大其輸送更多熱量的表面積，該毛細管可以做成通過燃燒的燃料，可以設置一個熱交換器來利用從燃燒反應來的廢氣，以預熱燃料等。
圖6以簡化形式表示毛細流動通道64如何可以設置成使通過其間的液體燃料能夠被加熱到高溫而減少燃料氣化加熱器的電力需求。如圖所示，管子的一部分66包括通過燃燒的燃料的火焰68的毛細流動通道。為了最初的起動，可以使用一個包括由連接到電源如蓄電池74上的電線70、72加熱的一段管子或獨立的電阻加熱器的電阻加熱器來最初地氣化液體燃料。在用合適的點火裝置對氣化燃料點火後，可以用燃燒的熱量預熱管子的一部分66，以減少否則為了用電阻加熱器連續氣化燃料而需要的電力。因此，通過預熱該管子可以氣化管子中的燃料而不需利用電阻加熱器，由此可以節省電力。
可以理解，圖1～6中示出的用於製備和輸送燃料的設備和系統也可以用於與本發明的另一裝置。再參照圖1，用於清除沉積物的機構包括流體控制閥28和一個用於使毛細流動通道12與一溶劑成流體連通的溶劑控制閥26(原先的利用氧化清除的實施例中的氧化劑控制閥26)，該溶劑控制閥26安置在毛細流動通道12的一端處。在利用溶劑清除的設備的一個實施例中，該溶劑控制閥在將液體燃料和將溶劑引入毛細流動通道12之間交替，使得當將溶劑引入毛細流動通道12中時，能夠原位清理毛細流動通道12。雖然使用了各種各樣的溶劑，但該溶劑可以包括從液體燃料源來的液體燃料。當這種情況時，不需要溶劑控制閥，因為不需要在燃料和溶劑之間交替，而該熱源應當在清理毛細流動通道12期間隨時間而中斷或停止驅動。
圖7提供本發明的另一示範的實施例。設備200有一將液體燃料F輸送給一種用途的加熱的毛細流動通道212。圖7A例示輸送燃料用的毛細流動通道212的細部。如圖中所示，毛細流動通道212內部安置一根可沿軸向移動的杆232。毛細流動通道212的出口端部216是擴口的，而杆232的端部是錐形的，兩者形成一個閥，其中杆232的軸向移動打開和關閉該閥。管子內部還設置刷子234，用於當刷子在毛細流動通道212內往復移動時清除軸向移動的杆232上的沉積物。
按照本發明的另一實施例，該燃料氣化裝置輸送能與被引至該用途的燃燒室中的空氣供給通道內的環境溫度下的空氣混合的基本上氣化的燃料。或者是，該氣化燃料可以與已經例如用一熱交換器預熱的空氣混合，該熱交換器用從該用途的燃燒室移出的廢氣的熱量預熱該空氣。如果需要，該空氣在與氣化燃料混合之前可以例如用一鼓風機增壓。
如果需要，本發明的燃料氣化方法和裝置可以用於需要一股氣化燃料的任何用途或設備中。例如，此類用途包括(但不限於)熱水器和爐子、可攜式加熱器、能量轉換裝置、內燃機、冰箱、燃料處理器或重整爐、外燃機、燃氣輪機、燃料電池、直接熱轉換裝置等。本發明也可用於其中需要液體燃料的更潔淨燃燒的用途。
例子例子1通過用微隔板泵系統在恆壓下將燃料供給到加熱的毛細通道中而氣化JP8噴氣發動機燃料，從而進行試驗。在這些試驗中，使用了不同直徑和長度的毛細管。這些毛細管用長度2.5～7.6cm(1～3英寸)的304號不鏽鋼管制成，其內徑(ID)和外徑(OD)用cm(英寸)表示如下0.025ID/0.046OD(0.010ID/0.018OD)，0.033ID/0.083OD(0.013ID/0.033OD)和0.043ID/0.064OD(0.017ID/0.025OD)。氣化液體燃料的熱量是利用電流通過金屬管的一部分而產生的。利用一個由Malvern公司製造的噴霧技術雷射衍射系統測量液滴的粒徑分布。液滴的Sauter平均直徑(SMD)為1.7～4.0μm。SMD是一個其表面/體積比等於整個噴霧的表面/體積比的液滴的直徑，與噴霧的質量轉移特性有關。
例子2利用一種已知產生高水平沉積物的無添加劑的無硫汽油來進行了試驗來證明在加熱的毛細流動通道上的氧化清除技術的優點。這些試驗用的毛細流動通道是用內徑0.058cm(0.023英寸)的不鏽鋼管制成的長5.08cm(2.0英寸)的加熱的毛細管。燃料壓力保持在0.7kg/cm2(10psig)。給毛細管供電來達到各種水平的R/R0，其中R是加熱的毛細管電阻，而R0是環境條件下毛細管的電阻。
圖8表示燃料流動速率對時間的圖線。如圖所示，對於這種不含去垢劑添加物的汽油，在非常短的時間內遇到顯著的堵塞，在少到10分鐘內觀察到50％的流動速率損失。
在遇到顯著的堵塞後，燃料流中斷而代之以0.7kg/cm2(10psig)的空氣。在此期間進行加熱，在少到1分鐘之後，達到顯著的清除，流動速率恢復到原有水平。
例子3該例子表明，當利用一種採用有效的添加劑包裝的商品級汽油時，在例子2的加熱的毛細流動通道中堵塞要輕得多。如圖9中所示，在運行該裝置近4個小時後燃料的流動速率遇到小於10％的降低。
例子4為了比較各種汽油和去垢劑添加物對堵塞的影響，在例子2的加熱的毛細流動通道中運行5種試驗燃料。這些試驗的燃料包括含300ppm硫的無添加劑汽油、不含硫的無添加劑汽油、帶商用的上市後添加劑(添加劑A)的無硫汽油以及帶另一商用的上市後添加劑(添加劑B)的無硫汽油。
如圖10中所示，有添加劑的燃料行為相似，而無添加劑的燃料在小於1小時的操作中遇到嚴重的堵塞。
例子5該例子比較了在一種同樣為內徑0.036cm(0.014英寸)而長5.1cm(2英寸)的毛細流動通道中比較無添加劑的噴氣發動機燃料(JP-8)和無添加劑的No.2柴油燃料的隨時間的操作。燃料壓力為1.1kg/cm2(15psig)。對毛細管供電而獲得R/R0＝1.19的水平；其中R為加熱的毛細管電阻，而R0為環境條件下的毛細管電阻。
如圖11中所示，在最初的10分鐘操作期間，這些燃料性能相似，而其後柴油燃料遇到更嚴重的堵塞。
例子6利用已知產生高水平沉積物的無添加劑的No.2柴油燃料來進行試驗而評估在加熱的毛細流動通道上氧化清除技術的效率。這些試驗所用的毛細流動通道是一根用內徑0.036cm(0.014英寸)的不鏽鋼管制成的2英寸長的加熱毛細管。燃料壓力保持在1.1kg/cm2(15psig)。向該毛細管供電而達到R/R0＝1.19的水平；其中R為加熱的毛細管電阻，而R0為環境條件下的毛細管電阻。
圖12表示燃料流動速率對時間的圖線。如圖所示，對於這種無去垢劑添加物的燃料，在極短時間內遇到嚴重的堵塞，在約35分鐘的連續操作中觀察到50％的流動速率損失。
在第二次運行中，在操作5分鐘以後，中斷燃料流而代之以5分鐘的0.7kg/cm2(10psig)的空氣。在此期間也進行加熱。該程序每5分鐘重複一次。如圖12中所示，實際上每種情況下該氧化清除過程都增大燃料流動速率並傾向於隨時間而減慢燃料流動速率的總下降斜度。但是，該過程的效率稍許小於如例子2中所述的用無添加劑汽油得到的效率。
例子7進行試驗來評估了加熱的毛細流動通道中與例子6的No.2柴油燃料混合的商品級抗汙垢去垢劑添加物對隨時間的燃料流動速率的效率。這些試驗用的毛細流動通道為內徑0.036cm(0.014英寸)的不鏽鋼管制成的長5.1cm(2英寸)的加熱的毛細管。燃料壓力維持在1.1kg/cm2(15psig)，並向毛細管供電而達到R/R0＝1.19的水平。
圖13表示對有添加劑的No.2柴油燃料和無添加劑的柴油燃料的燃料流動速率對時間曲線的比較。如圖所示，對不含去垢劑添加物的燃料，在極短時間內遇到嚴重的堵塞，在約35分鐘的連續操作中觀察到50％的流動速率損失，而含有去垢劑的同一燃料在長時間內堵塞要小得多。
雖然已經示出和描述了各例示的實施例，但在上述公開內容中可以考慮各種各樣的修改、變化和替代，而在某些情況下，可以利用該實施例的某些特點而不必相應地利用其它特點。因此，將所附權利要求書廣泛地認作與本文所公開的各種實施例的範圍相符合是合適的。
權利要求
1.一種用於氣化從一液體燃料源引出的液體燃料的設備，包括(a)至少一個有一入口端部和一出口端部的毛細流動通道；(b)一個流體控制閥，用於使所述至少一個毛細流動通道的所述入口端部與該液體燃料源成流體連通，並引入基本上液體的液體燃料；(c)一個沿所述至少一個毛細流動通道設置的熱源，所述熱源可以操作而將所述至少一個毛細流動通道內的液體燃料加熱到足以將其至少一部分從液態變為氣態的程度，並從所述至少一個毛細流動通道的所述出口端部輸送一股基本上氣化的燃料流；以及(d)用於清除在操作該設備期間形成的沉積物的機構。
2.權利要求1的設備，其特徵在於，所述用於清除沉積物的機構包括所述流體控制閥、所述熱源和一個用於使所述至少一個毛細流動通道與一氧化劑成流體連通的氧化劑控制閥，所述熱源也可以操作而將所述至少一個毛細流動通道中的氧化劑加熱到足以氧化在加熱該流體燃料期間形成的沉積物的程度。
3.權利要求2的設備，其特徵在於，所述用於使所述至少一個毛細流動通道與一氧化劑成流體連通的氧化劑控制閥在將液體燃料和將氧化劑引入所述毛細流動通道之間交替，從而當將該氧化劑引入所述至少一個毛細流動通道時能夠就地清除所述毛細流動通道中的沉積物。
4.權利要求2或3的設備，其特徵在於，所述至少一個毛細流動通道包括多個毛細流動通道，每個所述毛細流動通道與一個燃料源和一個氧化氣體源成流體連通。
5.權利要求2、3或4的設備，其特徵在於，該氧化劑包括空氣、廢氣、蒸汽及其混合物。
6.權利要求1的設備，其特徵在於，所述用於清除沉積物的機構包括用於擦去在操作該設備期間形成的沉積物的機構。
7.權利要求7的設備，其特徵在於，所述用於擦去沉積物的機構包括沿所述閥杆安置的清理劑。
8.權利要求1的設備，其特徵在於，所述用於清除沉積物的機構包括所述流體控制閥和一個用於使所述至少一個毛細流動通道與一溶劑成流體連通的溶劑控制閥，所述溶劑控制閥被安置在所述至少一個毛細流動通道的一端處。
9.權利要求1的設備，其特徵在於，所述用於清除沉積物的機構包括所述流體控制閥，所述流體控制閥可以操作而使所述至少一個毛細流動通道與一溶劑成流體連通，當該溶劑被引入所述至少一個毛細流動通道時，能夠就地清理所述毛細流動通道。
10.權利要求8或9的設備，其特徵在於，該溶劑包括來自該液體燃料源的液體燃料，其中在清理所述毛細流動通道期間該熱源是被中斷的。
11.任一上述權利要求的設備，其特徵在於，所述流體控制閥控制來自該液體燃料源的液體燃料的流動速率。
12.任一上述權利要求的設備，其特徵在於，所述至少一個毛細流動通道包括至少一個毛細管。
13.權利要求12的設備，其特徵在於，所述熱源包括一段由通過其間的電流加熱的所述毛細管。
14.任一上述權利要求的設備，其特徵在於，所述熱源包括一個電阻加熱元件。
15.任一上述權利要求的設備，其特徵在於，還包括一個燃料源，所述燃料源能夠在100psig或更小的壓力下將增壓的液體燃料輸送到所述至少一個毛細流動通道中。
16.任一上述權利要求的設備，其特徵在於，還包括至少一個與所述至少一個毛細流動通道的所述出口端成流體連通的燃燒室，所述至少一個燃燒室可以操作而燃燒來自所述至少一個毛細流動通道的所述出口端部的燃料流，其中所述至少一個毛細流動通道的至少一部分被安置成為被所述至少一個燃燒室產生的燃燒產物所加熱。
17.一種氣化燃料的方法，包括以下步驟(a)向至少一個毛細流動通道供給液體燃料；(b)通過加熱該至少一個毛細流動通道中的液體燃料而使一股基本上氣化的燃料流通過該至少一個毛細流動通道的出口；以及(c)定期地清除該至少一個毛細流動通道中的沉積物。
18.權利要求17的方法，其特徵在於，所述定期地清除的步驟包括(i)停止通往該至少一個毛細流動通道的液體燃料流；(ii)向該至少一個毛細流動通道供給一種氧化劑；以及(iii)加熱該至少一個毛細流動通道，從而氧化該至少一個毛細流動通道中形成的沉積物。
19.權利要求17的方法，其特徵在於，所述毛細管清除沉積物的步驟包括擦去在所述加熱液體燃料期間形成的沉積物。
20.權利要求17的方法，其特徵在於，所述定期地清除步驟包括(i)中斷該至少一個毛細流動通道的所述加熱；(ii)向該至少一個毛細流動通道供應一種溶劑，從而除去該至少一個毛細流動通道中形成的沉積物。
全文摘要
用於氣化液體燃料的設備和方法。該設備包括至少一個有一入口端部和一出口端部的毛細流動通道(12)；一個用於使該至少一個毛細流動通道(12)的入口與液體燃料源成流體連通並引導基本上液態的液體燃料的流體控制閥(18)；一個沿該至少一個毛細流動通道(12)安置的熱源(20)，該熱源可以操作而將該至少一個毛細流動通道中的液體燃料加熱到足以將其至少一部分從液態變為氣態的水平，並從該至少一個毛細流動通道的出口端部輸送一股基本上氣化的燃料流；以及用於清除在操作該設備期間形成的沉積物(18，20，26)。該流動通道可以是一根用電阻加熱器加熱的毛細管，或一段由通過其間的電能加熱的管子。該液體燃料可以在任何所要壓力下供給到該流動通道，取決於該用途所要的質量流動速率。該氣化燃料可以與空氣混合而形成一種液滴平均直徑為25μm或更小的氣溶膠，以儘可能減小燃料－空氣混合物的點火能量，促進空氣流中的燃料流通，以及高效而潔淨地燃燒該液體燃料。
文檔編號F02M69/00GK1656312SQ03811417
公開日2005年8月17日 申請日期2003年3月24日 優先權日2002年3月22日
發明者R·O·佩利扎裡 申請人:克裡薩裡斯技術公司