聲頻燃料脫氧系統的製作方法
2023-12-03 12:25:41
專利名稱：聲頻燃料脫氧系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及從燃料去除溶解氧的系統，具體地涉及聲頻誘導的流體混合和氣穴。
背景技術：
碳氫化合物的噴氣發動機燃料加熱時可顯著地提高熱容量。噴氣發動機燃料中存在的溶解氧是不需要的，因為其支持氧化反應，會產生不希望的副產品。噴氣發動機燃料中的空氣分解可導致大約70ppm的氧氣濃度。當充氣燃料加熱到350°F和850°F之間，氧氣進行燃料的自由基反應，產生一般稱作「焦炭」或「結焦」的沉澱。結焦不利於燃油管路，可抑制燃燒。形成這種沉澱可削弱燃料輸送系統的正常功能，影響到需要的熱交換功能或燃料的高效噴射。
一般地，氧濃度降低到大約2ppm就足以克服結焦問題。目前已使用各種常規的燃料脫氧技術。一種用於航空器領域的常規的燃料穩定單元(FSU)通過降低氧透過膜表面的氧壓梯度，從噴氣發動機燃料去除氧。儘管非常有效，但脫氣速率與次表面膜層的氣體濃度成正比，其由周圍流體的溶解物的擴散速率來決定。
各種流體混合系統通常使用特定幾何形狀槽和擋板結構，可有效地提供氣體到消耗的邊界區。其他的湍流混合系統包括動態結構，比如位於燃料流體中的葉輪。但是湍流混合不總是可行的或在能量方面是有益的，由於完全擴展的湍流可在要求較長燃料通道的場合，如具代表性的航行器，形成不能接受的高壓降。此外通過幾何形狀進行混合的結構比較難加工，可能發生長時間堵塞。
因此，希望能提供一種碳氫化合物燃料的脫氧方法和系統，可減少便宜和尺寸及重量適宜的系統內的結焦，避免使用通過幾何形狀進行混合的結構。
發明內容
因此，根據本發明的能量轉換裝置的燃料系統包括脫氧系統，其帶有聲頻誘導流體混合和氣穴系統。燃料脫氧系統包括信號發生器系統，其包括若干位於燃料通道附近的換能器。換能器設置成可產生聲頻流體混沌化，破壞消耗氧的邊界層，顯著地改進流體混合，強化向脫氧膜表面的氧供應。至少兩個偏離軸線的激發換能器可提供擾動到形成液體扭矩的燃料層流和強化燃料混合。
因此本發明可強化整體燃料脫氣，通過至少一定容量的氣體從液體擴散到氣泡，氣體從氣泡擴散到燃料脫氧器系統的氧透過膜。當氣泡與膜接觸時，朝膜擴散的氣體由氣體/蒸氣的擴散速率控制。擴散速率至少要比燃料的氣體擴散大兩個量級。這樣的氣泡將極大地增加燃料脫氧速率，同時攪動邊界層，增強對消耗氧的邊界層區域的氧供應。
本發明因此提供了一種碳氫化合物燃料脫氧的方法和系統，可減少便宜及尺寸和重量都適宜的系統的結焦，避免了使用幾何形狀進行混合的結構。
通過下面對優選實施例的詳細介紹，所屬領域的技術人員可對本發明的各個特徵和優點有清楚了解。伴隨詳細介紹的附圖在下面給予簡單介紹。
圖1是能量轉換裝置和使用根據本發明的燃料脫氧器的相關燃料系統的總體示意性方框圖；圖2是本發明的脫氧器系統的方框圖；圖3是靠近沿圖2中線3-3的燃料流動路徑的信號發生器系統的截面圖；圖4是靠近燃料流體的信號發生器系統的截面圖；圖5是根據本發明的交叉的脫氧器系統的放大圖。
具體實施例方式
圖1顯示了能量轉換裝置(ECD)12的燃料系統10的總體透視圖。脫氧系統14接納來自容器16的液體燃料F。燃料F一般是碳氫化合物，比如噴氣發動機燃料。ECD 12可以各種方式存在，其中用於燃燒或某種形式的能量釋放的燃料，在進行最終處理之前，如果燃料中存在大量的溶解氧，獲得足夠的熱量將支持自動氧化反應和結焦。
ECD 12的一種形式是燃氣輪發動機，其中燃料進行預熱以增加熱容量，並用作航空器中一個或多個系統的液體冷卻劑。在任何情況下，燃料在輸送到燃料噴射器燃燒前進行加熱。
熱交換部分18代表了一個系統，燃料通過該系統進行熱交換。應當知道，熱交換部分18可直接連接到ECD 12和/或分布在大系統的其他地方。熱交換系統18可選擇或額外地包括若干分布在該系統各處的熱交換。
都已知道，儲存在容器16的燃料F一般含有溶解氧，飽和水平下可能有70ppm。燃料泵20將燃料F從容器16抽出。燃料泵20通過燃料容器導管22和閥24連通容器16到脫氧器系統14的燃料入口26。泵20提供的壓力幫助燃料F在脫氧器系統14和燃料系統10的其他部分循環。當燃料F通過脫氧器系統14時，氧被選擇性清除並被收集和/或從系統10的28處排出。
已脫氧的燃料Fd從脫氧器系統14的燃料出口30通過脫氧燃料導管32輸送到熱交換系統18和ECD 12，如燃氣輪發動機的燃料噴射器。應當知道，儘管在所顯示的實施例中公開了特定的部件設置，借鑑公開的發明可得到其他設置。
參考圖2，脫氧器系統14最好包括信號發生器系統36，通過聲頻和/或超聲誘導的穩定氣穴來提高燃料脫氧速率。信號發生器系統36最好包括若干位於燃料通道40附近的換能器38。應當知道換能器38，作為示例，可連接到脫氧器系統14(見圖1)的燃料通道壁和/或微通道的起始和/或終端板。
操作中，沿箭頭F方向流過燃料通道40的燃料改變方向，利用信號發生器系統36進行混合，並接觸過濾膜42。真空造成燃料通道40的內壁和氧透過膜42之間氧分壓力差，可使溶解到燃料中的氧擴散通過支撐膜42的多孔物質，並通過與燃料通道48分開的氧傳輸通道44離開脫氧器系統14。微通道中完全充滿燃料流，可燃燒揮發物的濃度最低，氣泡在膜壁排放後氧通過氧透過膜42(利用膜表面的壓差)排出。
應當指出，在所顯示的實施例中公開的燃料通道40是示例性的，燃料通道40可以是膜基燃料脫氧系統內的微通道、管路、通道和/或其他的燃料流通系統，除燃料容器16外(見圖1)。為了進一步了解膜基燃料脫氧器系統及其相關部件的另一方面，可參考美國專利No.6,315,815和題目為「平面膜脫氧器」的美國專利申請No.10/407,004,其轉讓給提出本發明的受讓人，其內容本文結合引用。
換能器38設置成可產生聲頻流體混沌化，破壞消耗氧的邊界層和顯著地改進流體混合，強化對脫氧膜表面的氧供應。典型的混沌混合的10KHz到1MHz的激發頻率區取決於通道幾何形狀。
換能器38最好設置在偏離中心軸線A的相對燃料通道40的位置。換能器38互相形成一定角度以便產生有效的混合(顯示於圖3)。一般地，偏離軸線設置的換能器38a向由設置在流體內的換能器38b產生的周期性流動施加擾動。
換能器38在燃料通道40內產生聲頻/超聲信號S。信號S產生聲頻流體混沌化，破壞消耗氧的邊界層，顯著地改進流體混合，強化對脫氧膜44表面的氧供應。
換能器信號，既可以是連續信號也可以是重複的一串脈衝，對燃料流產生衝擊。控制系統工作以調節相鄰換能器38的相對相位，以增強/優化整體混合作用。
換能器38還可形成液體扭矩和氣穴誘導的液體燃料的相分離，該現象產生於層流(在圖4中用箭頭C示意性顯示)。
因此，本發明可強化整體燃料脫氣，通過至少一定容量的氣體從液體擴散到氣泡，氣體從氣泡擴散到氧透過膜42。當氣泡與膜42接觸時，朝膜42擴散的氣體由氣體/蒸氣的擴散速率控制。擴散速率至少要比燃料的氣體擴散大兩個量級。在超聲場中的氣穴擴散到氣泡。氣泡隨流體流動，尤其是可黏附到通道表面，以很高的速率排出。這樣的氣泡將極大地增加燃料脫氧的速率，同時攪動了邊界層，增強了對消耗氧的邊界層區的氧供應。
參考圖5，盤旋的脫氧系統14′可以選用或另外設置在換能器38′，用作脫氧系統14′的若干個相鄰燃料通道40′的攪動源。
儘管顯示、介紹和說明了特定步驟，應當知道，可以按任何次序，單獨的或結合的，來執行步驟，除非特別指示或從本發明得到啟發。
前面的介紹是示例性的，不應受到其限制。借鑑上述內容可對本發明進行許多改進和變化。本發明的優選實施例已經公開，但所屬領域的技術人員應認識到，某些改進未脫離本發明的範圍。因此，應當知道，在所附權利要求的範圍內，本發明可以與特別介紹的不同的形式來實施。應當研究所附權利要求以確定本發明的確實範圍和內容。
權利要求
1.一種燃料系統，其包括燃料通道，形成有軸線；第一換能器，位於所述燃料通道附近，偏離所述軸線；和第二換能器，位於所述燃料通道附近，偏離所述軸線。
2.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述第一換能器與第二換能器形成一定角度。
3.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述第一換能器和第二換能器產生聲頻信號。
4.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述第一換能器和第二換能器產生超聲波信號或是一串重複的脈衝。
5.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述第一換能器和第二換能器在所述燃料通道內產生聲頻流體混沌化。
6.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述系統還包括可與所述燃料通道連通的氧透過膜。
7.根據權利要求6所述的燃料系統，其特徵在於，所述第一換能器和第二換能器在所述燃料通道產生聲頻流體混沌化，以強化對脫氧膜表面的氧供應。
8.根據權利要求1所述的燃料系統，其特徵在於，所述燃料通道包括微通道系統。
9.根據權利要求8所述的燃料系統，其特徵在於，所述微通道系統位於燃料脫氧系統內。
10.一種從燃料系統去除溶解氧的方法，包括步驟(1)在含有溶解氧的液體燃料中產生聲頻流體混沌化，強化了液體燃料中氧到氧透過膜表面的移動。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括使第一換能器的位置偏離燃料通道形成的軸線，所述通道傳輸含有溶解氧的液體燃料。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟使第二換能器的位置偏離所述燃料通道形成的軸線，所述燃料通道傳輸含有溶解氧的液體燃料，所述第二換能器與所述第一換能器形成一定角度。
13.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟使第一和第二換能器的位置偏離燃料通道形成的軸線，所述燃料通道傳輸含有溶解氧的的液體燃料；和使所述第一和第二換能器連通到與所述燃料通道接觸的液體。
14.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟(2)連通通過氧透過膜的氧，所述氧透過膜與燃料脫氧系統連通。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述步驟(2)還包括步驟減少燃料內的溶解氧濃度使之低於2ppm。
16.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟(2)在液體燃料內產生氣穴誘導的相分離。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟(3)使氣穴誘導的相分離導致的氧通過氧透過膜，所述氧透過膜與燃料脫氧系統連通。
全文摘要
一種能量轉換裝置的燃料系統，其包括脫氧系統。信號發生器系統包括位於燃料通道附近的若干換能器。換能器設置成可產生聲頻流體混沌化和氣穴誘導的相分離，破壞耗氧的邊界層並顯著地增加流體混合，強化對脫氧系統的脫氧膜表面的氧氣供應。
文檔編號B01J19/10GK1661217SQ20041010194
公開日2005年8月31日 申請日期2004年12月10日 優先權日2003年12月12日
發明者A·斯塔羅塞爾斯基, I·I·費迪徹尼亞, F·P·拉姆 申請人:聯合工藝公司