Компания «Полифем» провела исследования, разработала инновационную конструкцию и решила многочисленные технические проблемы, обеспечив максимальную безопасность, экономическую эффективность и стабильность работы пламенных устройств.

Выбор жидкого топлива

В Таблице приведены экономические и физические характеристики различного жидкого топлива.

                                                                                          .

Наименование жидкого топлива	Использование в двигателях современных машин	Температура кипения, °С	Вязкость, мм.кв./с при 20, °С
Керосин	Не применяется	+150°С      +250°С	1,2-4,5
Бензин	Применяется	+ 33°С      +205°С	0,5-0,7
Дизельное топливо	Применяется	+ 180°С   + 360 °С	4,0-6,0 (летнее)

Экономически целесообразно выбрать жидкое топливо для пламенных устройств по настоящем проекту в соответствии с его применимостью в двигателях внутреннего сгорания машин, работающих в горнодобывающей промышленности и в других отраслях. Керосин практически не используется в двигателях внутреннего сгорания, и в случае выбора керосина в качестве жидкого топлива для пламенных устройств, возникают дополнительные затраты на его отдельное приобретение и хранение в специальной таре. 

В то же время бензин и дизельное топливо широко используются в двигателях внутреннего сгорания, при этом, в отличие от керосина, бензин и дизельное топливо можно приобрести на любой заправочной станции.

Сравним бензин и дизельное топливо с точки зрения безопасности при проведении пламенных работ. И бензин, и дизельное топливо представляют собой смесь сложных углеводородов. При этом, бензин содержит более легкие фракции, чем дизельное топливо. Чем легче фракция, тем ниже ее температура кипения. 

Из таблицы видно, что температуры кипения фракций бензина находятся в диапазоне от + 33°С до +205°С. Бензин поступает в пламенное устройство по гибкому шлангу. В условиях высоких температур окружающей внешней среды, и особенно в условиях высокой солнечной радиации, гибкие шланги могут нагреваться до температур, значительно превышающих нижний предел температуры кипения легких фракций бензина (+ 33°С). В таких условиях бензин в шланге начинает закипать и образовывать в жидкости пузырьки бензинового пара, при этом давление бензина в шланге повышается. Если в процессе пламенных работ возникает разрыв шланга, или разгерметизация присоединений шланга к бензобаку, пламенному устройству, бензин, интенсивно вытекающий из шланга, мгновенно вскипает. Давление жидкости падает до атмосферного, все легкие фракции превращаются в пар, разбрызгивая более тяжелые жидкие фракции.  Возникает реальная угроза вспышки паров бензина с последующим возгоранием жидких фракций, поскольку шланг находится в непосредственной близости от пламени резака/горелки. Также в непосредственной близости находится разогретый до высоких температур резаком, или горелкой металл.

В отличие от бензина, дизельное топливо имеет гораздо более высокий диапазон температур кипения фракций от + 180°С до +360°С. Вероятность разогрева шланга с дизельным топливом от солнечной радиации до температуры + 180°С практически равна нулю. Пары дизельного топлива не образуются, а поджечь жидкое дизельное топливо кратковременным воздействием пламени невозможно. Таким образом, вероятность возгорания дизельного топлива при разрыве шланга, в аналогичных условиях проведения пламенных работ, также стремится к нулю, в отличие от высокой вероятности возгорания бензина.

С точки зрения безопасности выбор дизельного топлива в качестве горючего вещества в пламенном устройстве очевиден и не подлежит сомнению. 

Выбор конструкции пламенного устройства

 

Основная научно-техническая проблема, которая сдерживает применение дизельного топлива в качестве горючего вещества ручных пламенных устройствах заключается в физических свойствах дизельного топлива, зависящих в значительной степени от его вязкости, химического состава и других факторов.

Вязкость керосина, бензина и дизельного топлива значительно различаются, причем дизельное топливо имеет самую высокую вязкость 4,0 — 6,0 мм.кв./с. (летнее), а бензин — самую низкую 0,5 — 0,7 мм.кв./с..

Дизельное топливо производится из нефти и включает в себя различные углеродосодержащие соединения:

• Парафиновые углеводороды имеют преимущественно прямую цепь углеродных атомов и составляют от 10 до 40 % дизельного топлива.
• Циклические углеводороды содержат кольцевые структуры и составляют от 20 до 60 % топлива.
• Ароматические углеводороды присутствуют во многих конечных продуктах из нефти, содержат циклические ароматические углеродные структуры, такие как бензольные кольца, и занимают в составе топлива от 15 до 30 %.

В дизельном топливе могут присутствовать механические частицы, смолянистые вещества, влага, сернистые соединения, красящие вещества и вещества-метки для идентификации и отслеживания топлива. Возможно присутствие присадок, не содержащих металлы.

Вязкость дизельного топлива является важным параметром, обозначающим способность течь по некоторому сечению с определенной скоростью.  Здесь и в дальнейшем в рамках настоящего проекта будем рассматривать вариант использования летнего дизельного топлива с вязкостью от 4,0 до 6,0 мм.кв./с.

Показатели дизельного топлива, которые зависят от вязкости:

• Цетановое число и его производное цетановый индекс. Цетановое число отражает скорость самовоспламенения топлива, важный параметр для эффективной работы дизельного пламенного устройства. Цетановый индекс также играет роль в оценке качества топлива.
• Параметр плотности зависит от температуры воздуха. Вязкость и плотность возрастают при снижении температуры, что затрудняет сгорание топлива и снижает эффективность пламенного устройства.
• Коксуемость. При повышенных показателях вязкости топлива образуется кокс (углеродные отложения), нагар ухудшает работу пламенного устройства и ускоряет износ внутренних и наружных мундштуков.
• Если топливо слишком вязкое, то оно плохо распыляется что приводит к неполному сгоранию и возникновению нагара в головке пламенного устройства.
• Температура кристаллизации. При низких температурах в дизельном топливе из парафина начинают формироваться твердые отложения, что снижает его прозрачность. Этот процесс может привести к проблемам в системе подачи топлива.

Все перечисленные факторы оказывают значительное влияние на стабильность работы пламенного устройства на дизельном топливе.

Основными причинами нестабильной работы дизельного резака являются:

1. Остаточный воздух в кольцевой полости смесителя.
2. Образование пузырьков воздуха в потоке дизельного топлива, выходящего из бачка с дизельным топливом.
3. Наличие твердых посторонних включений в дизельном топливе.
4. Возникновение крупных капель дизельного топлива в смесителе, обусловленное высокой вязкостью дизельного топлива.

Устранение причин нестабильной работы по пп. а) и b) подробно описано в разделе 1.2. настоящей заявки и обусловлено использованием компанией ООО «Полифем» устройства по патенту №. RU2828634.

Устранение причин по п. с) решается установкой топливного фильтра на выходе из бачка для дизельного топлива.

Устранение причины по п. d) обусловлено использованием пламенного устройства по патенту на изобретение российской партнерской компании ООО «Полифем» № RU2828634 «Способ создания горючей смеси и пламенное устройство» и устройства по патенту на изобретение российской компании «Оксикод» № RU2790250 «Композитное пористое изделие (варианты)». Для предотвращения образования крупных капель дизельного топлива в смесителе головки пламенного устройства могут быть использованы следующие существенные признаки изобретения № RU2828634:

• Пламенное устройство снабжено капиллярным устройством, которое соединено с каналом для горючего вещества и с подающим каналом смесителя, при этом капиллярное устройство представляет собой замкнутое вокруг оси тело вращения в виде капиллярного зазора.
• Пламенное устройство, в котором внутренняя коническая поверхность корпуса и наружная коническая поверхность смесителя образуют капиллярное устройство, представляющее собой капиллярную полость в виде тела вращения, расположенную между зонами уплотнений корпуса и смесителя и соединенную с каналом для горючего вещества и подающим каналом, при этом капиллярная полость выполнена с равномерным радиальным зазором.
• Пламенное устройство, в котором диаметр канала для горючего вещества в месте соединения с капиллярной полостью составляет 0,3-1,5 осевого размера капиллярной полости.
• Пламенное устройство, в котором капиллярное устройство содержит проницаемый материал.
• Пламенное устройство, в котором капиллярное устройство выполнено аддитивным методом.
• Пламенное устройство, в котором капиллярная полость выполнена с минимальным зазором в пределах 0,01-0,95 мм.
• Пламенное устройство, в котором смеситель выполнен с несколькими смесительными каналами и примыкающими к ним несколькими подающими каналами.
• Пламенное устройство, в котором капиллярное устройство непосредственно примыкает к смесителю в сборной головке пламенного устройства.

Также для предотвращения образования крупных капель дизельного топлива в смесителе головки пламенного устройства могут быть использованы следующие существенные признаки изобретения № RU2790250:

• Композитное пористое изделие, включающее пористое тело, изготовленное аддитивным методом, поры которого сформированы в заданном порядке методом 3D-печати в виде связанной системы.
• Композитное пористое изделие, в котором пористое тело имеет частично непроницаемую оболочку.
• Композитное пористое изделие, в котором поры сформированы в виде однородной системы параллельных капилляров.
• Композитное пористое изделие, в котором поры сформированы в виде системы капилляров с дисперсией диаметров, углов наклона, местных сопротивлений или эксцентриситетов, или с комбинацией указанных дисперсий.
• Композитное пористое изделие, в котором поры сформированы в виде регулярной сетевой системы капилляров.
• Композитное пористое изделие, в котором поры сформированы в виде системы, имеющей анизотропию, по меньшей мере в одном направлении.
• Композитное пористое изделие, в котором поры сформированы в виде системы, в которой выполняется обобщенный закон Мюррея.

Однородность капель дизельного топлива на входе в смеситель достигается за счет того, что капиллярное устройство непосредственно примыкает к смесителю, а размер капель задается размером капилляров (кольцевого зазора или пор, в случае исполнения капиллярного устройства в виде композитного пористого изделия).

Выбор окончательной конструкции капиллярного устройства зависит от технического задания и результатов НИОКР, которые будут разработаны в ходе совместного проекта с южноафриканской партнерской компанией. По состоянию на июль 2025 г. можно констатировать, что применение капиллярного устройства по патентам № RU2828634 и № RU2790250 в дизельном пламенном устройстве решает все вышеперечисленные научно-технические проблемы.