Известны три основных способа получения горючей смеси из жидкого топлива и окислителя (кислорода, воздуха) в ручных пламенных устройствах:

1. Способ, при котором жидкое топливо предварительно нагревают и превращают в газ, затем этот газ инжектируют в инжекционно-смесительную камеру, куда также поступает окислитель. Образовавшая горючая смесь газов по специальному каналу поступает в головку пламенного устройства на выходе из которой происходит ее сгорание.
2. Способ, при котором жидкое топливо и окислитель предварительно поступают в смеситель, где происходит их механическое смешивание, затем смесь окислителя и капель жидкого топлива по специальному каналу поступает в головку пламенного устройства, разогревается в ней и затем на выходе из головки происходит ее сгорание.
3. Способ, при котором жидкое топливо и окислитель непосредственно поступают в кольцевую полость головки пламенного устройства, где происходит их механическое смешивание, затем механическая смесь разогревается, выходит из головки и сгорает.

В мире немного компаний, которые разрабатывают и производят кислородные резаки на жидком топливе. Самые известные из них:

• Российская компания АО «Алтайский завод агрегатов» (https://altayaza.ru/) производит керосиновые и бензиновые резаки;
• Европейская компания «Donmet» (https://www.donmet.com.pl/pl/) производит керосиновые и бензиновые резаки;
• Американская компания «Petrogen» (https://petrogen.com/) производит керосиновые, бензиновые и дизельные резаки;
• Австралийская компания «Davco» (https://davco.biz/) производит бензиновые и дизельные резаки;
• Российская группа компаний «РЕДИУС» (https://redius.spb.ru/) производит керосиновые резаки.

Ниже проведен анализ современных конструкторских и научных решений в области кислородной резки с использованием жидкого топлива. Проанализированы достоинства и недостатки, предложены варианты решения существующих проблем.

Российская компания АО «Алтайский завод агрегатов» (https://altayaza.ru/) разработала керосино-кислородный резак РК2-02М, предназначенный для кислородной резаки стали. Резак РК2-02М инжекторного типа работает по принципу предварительного испарения керосина до поступления в головку резака за счет тепла дополнительного пламени. Резак содержит испаритель, сборную головку, каналы для подвода кислорода и керосина, вентили кислорода и керосина, маховичок для регулировки подогревающего пламени. Керосин поступает в резак под давлением из специального бачка, проходит через вентиль и поступает в испаритель, выполненный в виде отдельного узла, где происходит его испарение за счет тепла подогревающего пламени. Далее газообразный керосин поступает в инжекторно-смесительную камеру, также выполненную в виде отдельного узла, где происходит смешивание кислорода с парами керосина. Образовавшаяся кислородно-керосиновая смесь по трубке поступает в головку резака. Головка содержит сменные наружный и внутренний мундштуки и подогревающее сопло. Подогревающее сопло направлено на испаритель, а основное — рабочее пламя резака формируется вокруг струи режущего кислорода, внутренним и наружным мундштуками.

Резак РК2-02М в рабочем, установившемся режиме создает устойчивое пламя с высокой температурой горения, однако имеет ряд существенных недостатков:

• для введения устройства в рабочий режим, необходимо предварительно, с помощью внешнего источника тепла разогреть испаритель, что создает значительные неудобства и снижает безопасность при производстве пламенных работ;
• инжекторный тип устройства, в сочетании с внешним нагревом испарителя, существенно повышает риск аварийных «обратных ударов» при его эксплуатации;
• внешний нагрев значительно повышает температуру всего устройства, что может приводить к травмам персонала и аварийным возгораниям;
• большой вес и габариты устройства, обусловленные его конструкцией.

Известная компания «Donmet» (https://www.donmet.com.pl/pl/) разработала кислородный резак на жидком топливе по патенту № 67057 А (UA).  Способ получения горючей смеси в таком резаке основан на принципе механического распыления (смешивания с кислородом) керосина или бензина. Распыление (смешивание) происходит непосредственно в головке резака специальным соплом распылителя (смесителя). Отличие этих резаков от инжекторных состоит в том, что у них и горючая жидкость и кислород подогревающего пламени подводятся к отдельным кольцевым полостям, выполненным в головке резака. Горючая жидкость проходит через регулирующий вентиль и по каналу в головке устройства, поступает в кольцевую полость, а затем в смеситель (распылитель). Кислород поступает в смеситель по кислородному каналу. Выходя из отверстия смесителя, кислород распыляет струю жидкого топлива. Образовавшаяся смесь кислорода и капель жидкого топлива подается в зону резки между наружным и внутренним мундштуками, а режущий кислород — через внутренний мундштук.

Основная идея патента заключается в следующем:

• Распыленное жидкое топливо подается в кольцевой канал камеры испарения по винтовым каналам на внутренней поверхности мундштука головки, образуя круговой вихрь, в котором частицы жидкого топлива под действием центростремительных сил оседают на горячую внутреннюю поверхность внешнего мундштука головки и испаряясь, смешиваются с кислородом.
• Тепловой поток для испарения жидкого топлива, мундштук получает от пламени резака, которое проходит через пламенную камеру, объединенную с выходным каналом.
• Режущий кислород в зону реза подается по каналу внутреннего мундштука.
• Полость для распыления жидкого топлива расположена между внутренним и внешним мундштуками.
• Каналы подачи струи жидкого топлива в испарительную камеру направлены по касательной к кольцевому каналу камеры.

В таком способе получения горючей смеси с механическим распылением горючей жидкости устранены недостатки пламенного устройства РК2-02М, но возникает проблема нестабильной работы резака в различных режимах по следующим причинам:

А) Все каналы и полости пламенного устройства, по которым движется жидкое топливо, до начала работы заполнены воздухом. В том числе, воздухом заполнена кольцевая полость, из которой горючая жидкость поступает в смеситель. Жидкое топливо, которое поступает в головку пламенного устройства по соответствующим каналам, движется вместе с пузырьками воздуха и попадая в кольцевую полость не вытесняет из нее весь воздух. Пузырьки воздуха в кольцевой полости мешают проходу жидкого топлива в смеситель, а в некоторых случаях, полностью запирают кольцевую полость. По этой причине, в начале работы устройства (режим разогрева), наблюдается прерывистое поступление горючего вещества из кольцевой полости в смеситель, при этом устройство работает нестабильно (пламя неустойчиво). Прохождение жидким горючим кольцевой полости зависит от случайного расположения в ней пузырьков воздуха. Изменение положения устройства (поворот, наклон) приводит к изменению формы и мощности пламени. Часто происходит полное прекращение работы устройства (гашение пламени);

В) Жидкое топливо во время работы поступает в пламенное устройство из специального бачка. Давление в бачке создается накачанным в бачок воздухом. В случае, когда бачок во время работы встряхивается, или в нем остается мало горючего вещества, воздух проникают в выход бачка и с потоком жидкости в виде пузырьков достигают кольцевой полости перед смесителем в головке устройства. При этом, возникают проблемы нестабильной работы пламенного устройства, также, как и в начале его работы (см. пункт А);

С) Во время работы устройства, с использованием в качестве топлива легких жидких углеводородов, возникает еще одна проблема работоспособности. Например, в потоке жидкого топлива, при повышении температуры во время работы, в каналах устройства могут возникать пузырьки газообразного жидкого топлива, которые достигают кольцевой полости в головке устройства, что приводит к возникновению проблем со стабильностью работы, аналогичные проблемам, описанным в пункте А.

Американская компания «Petrogen» (https://petrogen.com/) производит кислородные резаки на керосине, бензине и дизельном топливе. Способ получения горючей смеси в таких резаках также основан на принципе механического распыления (смешивания с кислородом) горючей жидкости с ее дальнейшим разогревом в испарительной камере. И смешивание, и дальнейшее испарение капель жидкого топлива в образовавшейся смеси происходят в головке резака. Подогревающий кислород под давлением через вентиль подачи подогревающего кислорода по соединительной трубке подогревающего кислорода, поступает в головку резака, где попадает в каналы смесителя. Жидкое топливо поступает через вентиль, трубку, и канал жидкого топлива в кольцевую полость головки, с выходом из нее в каналы смесителя, где распыляется в струе кислорода.

Аналогичные по конструкции кислородные резаки на бензине и дизельном топливе производит австралийская компания «Davco» (https://davco.biz/).

Российская компания «Редиус 168» (входит в группу РЕДИУС) производит кислородные резаки на керосине. Принципиальная конструкция этих резаков аналогична конструкции резаков компаний Petrogen и Davco, за исключением того, что смеситель расположен не в головке резака, а в трубке подогревающего кислорода.

В кислородных резаках на жидком топливе Donmet, Petrogen, Davco, Редиус 168 решена задача качественного испарения капель жидкого топлива в испарительной камере, после образования в смесителе кислородно-капельной смеси. Однако ни одна из вышеперечисленных проблем (пункты А, В и С) не решена, поскольку пузырьки воздуха и пузырьки газообразного топлива в потоке жидкости могут беспрепятственно попадать в кольцевую полость перед смесителем.

Российский партнер — компания ООО «Полифем» провела исследования, разработала инновационную конструкцию и решила все перечисленные проблемы, обеспечив максимальную безопасность, экономическую эффективность и стабильность работы пламенного устройства.

Выбор жидкого топлива.

В Таблице приведены экономические и физические характеристики различного жидкого топлива.

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. 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).

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.

Варианты исполнения продукта

Мобильная дизельная установка (МДУ) представляет собой комплекс оборудования, в различных вариантах исполнения, смонтированный на едином основании.

По состоянию на июль 2025 г. выполнено:

• Определены основные варианты исполнения МДУ;
• Определены технические взаимосвязи между оборудованием, входящим в состав МДУ;
• Определен состав покупного оборудования МДУ и оборудования, разрабатываемого и изготавливаемого по проекту;
• Определены все принципиальные конструктивные решения для оборудования, входящего в состав МДУ;
• Изготовлены и испытаны опытные образцы дизельного резака и дизельной горелки. Испытания показали высокие показатели работоспособности изделий;

Основные варианты комплектации МДУ

Тип А (для пламенных работ, кислородной резки металла и электрической сварки показан на Рис. А):

• дизель-генератор;
• компрессор с ресивером для сжатого воздуха;
• ресивер снабжен манометром, предохранительным клапаном и регулятором давления воздуха;
• один из выходов регулятора давления подключен к баку для дизельного топлива;
• другие выходы регулятора давления используются для подключения дизельных горелок;
• бак для дизельного топлива снабжен клапаном сброса давления и выходами для присоединения дизельного резака и дизельной горелки;
• кислородный баллон с регулятором давления кислорода;
• регулятор давления кислорода снабжен манометрами, предохранительным клапаном и выходами для подключения дизельных резаков;
• дизельные кислородные резаки с гибкими шлангами для подачи кислорода и дизельного топлива;
• дизельные горелки с гибкими шлангами для подачи сжатого воздуха и дизельного топлива;
• сварочный аппарат, подключенный к дизель-генератору.

Тип В (для пламенных работ и кислородной резки металла, показан на Рис. В)

• дизель-компрессор с ресивером для сжатого воздуха;
• ресивер снабжен манометром, предохранительным клапаном и регулятором давления воздуха;
• один из выходов регулятора давления подключен к баку для дизельного топлива;
• другие выходы регулятора давления используются для подключения дизельных горелок;
• бак для дизельного топлива снабжен клапаном сброса давления и выходами для присоединения дизельного резака и дизельной горелки;
• кислородный баллон с регулятором давления кислорода;
• регулятор давления кислорода снабжен манометрами, предохранительным клапаном и выходами для подключения дизельных резаков.
• дизельные кислородные резаки с гибкими шлангами для подачи кислорода и дизельного топлива;
• дизельные горелки с гибкими шлангами для подачи сжатого воздуха и дизельного топлива.