專利名稱：吸熱型燃料處理中防焦化的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于高速推進系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，尤其涉及含有燃料脫氧器和催化劑的冷卻系統(tǒng)，其用以提高能進行吸熱反應(yīng)的碳氫燃料的吸熱能力。
在飛行器內(nèi)的各種系統(tǒng)里通常采用燃料作為冷卻介質(zhì)。發(fā)動機工作溫度高，則有利于提高循環(huán)效率，減少燃料消耗。發(fā)動機的工作溫度受到燃料可用冷卻能力的限制。燃料吸熱分解成點火和燃燒性能可能更好的可燃性產(chǎn)物后，其冷卻能力可以得到提高。
催化劑用以促進吸熱型燃料在吸收反應(yīng)熱后分解成分子量比原先的燃料低的可燃性產(chǎn)物。但是，燃料中的溶解氧引發(fā)的熱氧化反應(yīng)會導(dǎo)致焦炭的形成，使催化劑中毒并阻礙優(yōu)選的催化反應(yīng)。
在大約250°F～800°F時，燃料中的溶解氧發(fā)生反應(yīng)形成焦炭前體，該前體引發(fā)并助長導(dǎo)致形成焦炭沉積物的反應(yīng)。溫度高于約800°F時，焦炭沉積物的形成機制受到熱裂化(熱裂解)反應(yīng)的控制，該反應(yīng)破壞了形成焦炭的化學(xué)鍵。減少燃料的溶解氧含量，就可以減少在溫度相對較低時焦炭沉積的速率，并提高燃料的可用冷卻能力。
如何用脫氧裝置除去燃料中的溶解氧已經(jīng)眾所周知。美國專利6,315,815和申請?zhí)枮镹o.10/407,004的美國專利申請中，公開了在燃料系統(tǒng)內(nèi)采用透氣膜去除溶解氧的裝置。當燃料從透氣膜邊經(jīng)過時，燃料中的氧分子通過透氣膜從燃料中擴散出去。去除燃料中的溶解氧，只是有限地提高了可用的冷卻能力。飛行器對燃料性能的更高需求，需要進一步提高燃料的可用冷卻能力。
因此，需要開發(fā)一種能抑制焦炭沉積物形成的吸熱型燃料系統(tǒng)，以防在發(fā)動機工作溫度較高時干擾所需的催化反應(yīng)。
發(fā)明概述本發(fā)明是包含燃料脫氧器的燃料輸送系統(tǒng)，脫氧裝置從燃料中去除溶解氧，以防形成可能阻礙所需催化反應(yīng)的不溶性材料，從而提高吸熱型燃料的可用冷卻能力。
燃料輸送系統(tǒng)包括用以在燃料進入催化裝置之前去除其中的溶解氧的燃料脫氧器。催化裝置引發(fā)燃料吸熱分解為可用熱吸收能力更大的有益可燃性產(chǎn)物。
燃料脫氧器包括由多孔基底支撐的滲透膜。滲透膜兩側(cè)的氧分壓差驅(qū)使氧從燃料中向外擴散并通過滲透膜。隨后溶解氧從燃料中排除。從燃料中去除溶解氧顯著減少了不溶性材料或已知形成溫度高于約250°F的焦炭的形成。
避免形成焦炭就防止了催化裝置結(jié)垢的可能性，催化系統(tǒng)結(jié)垢可能阻止吸熱分解反應(yīng)的發(fā)生。吸熱分解反應(yīng)發(fā)生的溫度遠高于由于溶解氧而導(dǎo)致的焦炭形成溫度。燃料脫氧器防止燃料中的溶解氧形成焦炭沉積物，該沉積物污染并阻止所需的燃料吸熱分解反應(yīng)。而且，燃料脫氧器顯著地提高了燃料的可用冷卻能力，從而提高了發(fā)動機的許可工作溫度。
因此，本發(fā)明的吸熱性燃料輸送系統(tǒng)包括燃料脫氧器，該裝置通過抑制焦炭沉積物的形成防止對在提高的發(fā)動機工作溫度下所需的催化反應(yīng)的干擾。
附圖簡述從下面本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細描述中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能清楚地了解本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點。該詳細描述所附的圖簡要介紹如下

圖1是根據(jù)本發(fā)明的推進系統(tǒng)和燃料輸送系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃料脫氧器的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一脫氧裝置的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的滲透膜的示意圖；以及圖5是催化劑和燃料脫氧器的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述如圖1所示，推進系統(tǒng)10包括燃料輸送系統(tǒng)20。燃料輸送系統(tǒng)20包括燃料脫氧器22和催化劑模塊24。燃料系統(tǒng)20也包括直接或間接冷卻推進系統(tǒng)組件的熱交換器26以及排除燃料中熱量的其它系統(tǒng)28。雖然推進系統(tǒng)10優(yōu)選是燃氣渦輪發(fā)動機、沖壓式噴氣發(fā)動機或高速飛行器采用的超音速沖壓式噴氣發(fā)動機，但是了解本發(fā)明公開文件的技術(shù)人員會認識到，本發(fā)明可以用在其它已知的能量轉(zhuǎn)換裝置上。其它系統(tǒng)28可以包括冷卻用以冷卻推進系統(tǒng)10的組件的流動氣體或其它流體。
催化模塊24包括促使燃料吸熱分解的催化材料36。催化材料36可以是金屬，如銅、鉻、鉑、銠、銥、釕、鈀以及這些材料的任意組合。另外，催化材料36還可以是沸石。閱讀了本申請公開文件的技術(shù)人員會理解將燃料分解成有益可燃性組分所需的特殊催化劑成份。
沸石是優(yōu)選的，因為它們比金屬的活性高，且生成的不溶性產(chǎn)物少。對吸熱性燃料而言，不溶性產(chǎn)物越少，可用的冷卻能力越高。特定類型的沸石可以包括八面沸石、菱沸石、絲光沸石、硅質(zhì)巖或其它任何已知的能催化分解燃料的沸石。
優(yōu)選的，催化材料36受到位于催化模塊24里的蜂房結(jié)構(gòu)38的支撐。但是，該催化材料可以采用粒狀、沖壓塊狀、單塊狀或其它已知的催化劑支撐結(jié)構(gòu)進行支撐。該催化材料要求反應(yīng)溫度為1000～1500°F。溫度越低，轉(zhuǎn)化率越低，因而燃料可用的吸熱能力降低。
催化模塊24緊靠著推進系統(tǒng)10的生熱組件。優(yōu)選的，催化劑模塊24置于發(fā)動機組件10的的箱室19里。推進系統(tǒng)10生成的熱量將催化模塊24的溫度提高到引發(fā)催化反應(yīng)所需的溫度，該催化反應(yīng)導(dǎo)致燃料吸熱分解。
催化模塊24的溫度還可以被燃料本身的熱量所提高。流過催化模塊24的燃料用來吸收其它系統(tǒng)的熱量。吸收的熱量將催化模塊24的溫度提高到最優(yōu)化操作所需的溫度。另外，用其它方法或裝置加熱催化模塊24也在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
燃料由于能夠吸熱，所以很早就用作飛行器的冷卻劑。不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的吸熱能力稱作燃料的物理吸熱能力。物理吸熱能力受到溶解氧和燃料組分在受熱時互相反應(yīng)形成的不溶性材料的限制。
和燃料內(nèi)溶解氧含量相關(guān)的不溶性材料的形成溫度低于催化反應(yīng)所需的溫度。不利的是，不溶性材料的形成會導(dǎo)致在催化材料36上生成焦炭沉積層。焦炭沉積層使相當大部分的燃料不能和催化材料28接觸，因此阻礙了所需的催化反應(yīng)。本發(fā)明的燃料輸送系統(tǒng)20包括能除去燃料中相當部分溶解氧的燃料脫氧器22。去除溶解氧推遲了焦炭沉積物的形成，其典型形成溫度低于800°F。溫度升高后，催化反應(yīng)開始將燃料分解成所需的具有良好燃燒性能和更大熱吸收能力的組分。
參見圖2，該圖給出了根據(jù)本發(fā)明的燃料脫氧器22’的示意圖，包括了位于箱室40的多根氣管42。燃料30從進料口44進入后，繞著氣管42流動，然后從出料口46流出。氣管42包括用以吸收溶在燃料30中的氧分子的復(fù)合滲透膜48。干氣體50流過氣管42時，在復(fù)合物滲透膜48的兩側(cè)形成分壓差，膜48將燃料30中的溶解氧吸入氣管42中，然后排到干氣體50中。隨后氧從干氣體50中去除并從系統(tǒng)20中排出。干氣體50可以通過燃料脫氧器22’循環(huán)使用。脫氧后的燃料從出料口46中流出后，進入催化模塊24中和其發(fā)生催化反應(yīng)。
參見圖3，該圖給出燃料脫氧器22”的另一實施方案，包括一系列上下堆疊的燃料板52。每塊燃料板52包括有復(fù)合滲透膜48，構(gòu)成了燃料通道54的一部分。燃料從進料口56進入，從出料口58中流出。開孔60對著真空源62。燃料30通過由堆疊的燃料板52構(gòu)成的燃料通道54。燃料板52置于箱室55內(nèi)，該箱室界定了進料口56和出料口58的位置。通過增減燃料板52可以讓燃料脫氧器22”適用于不同的場合。雖然本申請給出并描述了燃料脫氧器的實施方案，但了解了本申請的本領(lǐng)域技術(shù)人員便會知道，其它結(jié)構(gòu)的燃料脫氧器也在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
參見圖4，該圖給出了復(fù)合滲透膜48的橫截面，優(yōu)選包括放置在多孔墊64上的滲透層62。多孔墊64提供滲透層62所需的支撐結(jié)構(gòu)，同時允許氧最大程度地從燃料中擴散出去。滲透層62涂覆在多孔墊64上，兩者之間形成機械結(jié)合。滲透層62是優(yōu)選厚度為0.5-20μm厚的Teflon AF 2400，多孔墊64是孔徑為0.25μm的0.005英寸厚的聚偏二氯乙烯(PVDF)。也可以使用具有所需強度和開孔的其它不同材料、厚度和孔徑的支撐。
滲透層62優(yōu)選是Dupon Telfon AF無定形含氟聚合物，但本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它材料也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，如SolvayHyflon AD全氟玻璃狀聚合物和Asahi Glass CYTOP聚全氟丁烯基乙烯醚。每片復(fù)合滲透膜48都支撐在多孔基底66上。多孔基底66和真空源62相連，以在復(fù)合滲透膜48兩側(cè)形成氧分壓差。
在工作狀態(tài)，滲透膜48的非燃料側(cè)68和燃料側(cè)70之間的分壓差源自真空源62。箭頭72標明的氧從燃料30中擴散出來，通過復(fù)合滲透膜48進入多孔基底66。氧72經(jīng)由多孔基底66排出燃料系統(tǒng)20。
參見圖5，催化模塊24安裝在推進系統(tǒng)10的箱室19里。推進系統(tǒng)10產(chǎn)生的熱量加熱催化材料36和流經(jīng)其中的燃料30到促進所需催化反應(yīng)的溫度。燃料發(fā)生的催化反應(yīng)提高了燃料的吸熱能力，并生成有益的可燃性材料。
在低溫時，如推進系統(tǒng)10初始啟動時，由于脫氧裝置22去除了溶解氧而防止了焦炭的形成。正如所料，不去除燃料中的溶解氧，在燃料系統(tǒng)20的內(nèi)部組件上會形成焦炭沉積。包括催化模塊24中的蜂房結(jié)構(gòu)38。正是由于這個原因，用以提供吸熱分解燃料的催化劑一直沒能廣泛應(yīng)用。采用燃料脫氧器22防止了催化材料36低溫時中毒，從而使得在高溫時發(fā)生的能提高吸熱型燃料的吸熱能力的有益催化反應(yīng)可以進行。吸熱能力的提高使得系統(tǒng)10能夠在更高的溫度工作，而且工作效率更高。
上述描述是示例性的，并不就是材料的規(guī)格。本發(fā)明采用了舉例說明的形式，應(yīng)該了解所用的術(shù)語針對的是這些描述性語句的本質(zhì)而不是限制。根據(jù)上面的教導(dǎo)，對本發(fā)明的多種修改和改變都是可行的。雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認識到有些修改是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。應(yīng)該明確的是，本發(fā)明可以采用上述特定描述以外的方法實現(xiàn)，但仍然在所附權(quán)利要求的范圍以內(nèi)。基于此，應(yīng)該仔細研究下面的權(quán)利要求，以確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種推進系統(tǒng)，其包括能量轉(zhuǎn)換裝置；和燃料輸送系統(tǒng)，其包括用以去除燃料中溶解氣體部分的燃料脫氧器，該燃料流過對其進行調(diào)節(jié)的催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中燃料脫氧器包含當燃料流過所述燃料通道時和燃料接觸的滲透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其包含位于所述滲透膜的燃料側(cè)的聚四氟乙烯涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其包含在所述滲透膜的非燃料側(cè)對其進行支撐的多孔基底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的組件，其包含用以在所述滲透膜的燃料側(cè)和非燃料側(cè)之間產(chǎn)生分壓差的裝置，該分壓差將溶解氣體從所述燃料通道的燃料中抽出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述催化劑暴露于生熱元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述催化劑被流經(jīng)的燃料加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其包含鄰近所述推進系統(tǒng)的箱室，所述催化劑安裝在所述箱室里。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述催化劑包含金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述催化劑包含沸石。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述催化劑引發(fā)所述燃料的吸熱分解。
12.一種適用于推進系統(tǒng)的燃料輸送系統(tǒng)，其包含用于從燃料中去除部分溶解氣體的燃料脫氧器；和接收從所述燃料脫氧器中排出燃料的催化劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中燃料脫氧器包含同流過所述燃料通道的燃料相接觸的滲透膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其包含位于所述滲透膜燃料側(cè)的無定形含氟聚合物涂層。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其包含在所述滲透膜的非燃料側(cè)對所述滲透膜進行支撐的多孔基底。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其包含在所述滲透膜的燃料側(cè)和非燃料側(cè)之間產(chǎn)生分壓差的裝置，該分壓差將溶入氣體從燃料通道的燃料中抽出。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述催化劑引發(fā)吸熱分解反應(yīng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述催化劑包含金屬。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述催化劑包含沸石。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述催化劑安裝在鄰近所述推進系統(tǒng)的生熱元件的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述催化劑被流經(jīng)的燃料加熱。
22.一種抑制用于推進系統(tǒng)的吸熱型燃料形成焦炭的方法，其包含以下步驟a)去除燃料的溶解氧；和b)在去除溶解氧后引發(fā)所述燃料的催化反應(yīng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其包含通過去除燃料中的溶解氧防止在催化劑材料上形成不溶性材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其包含將催化材料加熱到促進燃料吸熱分解的溫度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其包含將燃料直接分解形成優(yōu)選的可燃性產(chǎn)物。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中燃料在分解后的吸熱能力比分解前好。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其包含在透氣膜兩側(cè)產(chǎn)生分壓差使得氧從所述燃料中擴散出來。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其包含采用多孔基底支撐透氣膜并且經(jīng)過多孔基底將擴散氧從燃料中抽出。
全文摘要
用于推進系統(tǒng)的燃料系統(tǒng)，包括燃料脫氧器和含有催化材料的催化模塊。燃料脫氧器去除燃料中的溶解氧，以防形成不溶性材料，該不溶性材料可能使催化劑中毒并阻礙增加吸熱型燃料的可用冷卻能力所需的催化反應(yīng)。
文檔編號F02M33/00GK1672778SQ20051005600
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月22日
發(fā)明者L·J·斯帕達茨尼, H·黃, D·R·索貝爾 申請人:聯(lián)合工藝公司