Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

где dI5- плотность топлива при 15° С, кг/м3; x , y n S - массовые содер­ жания воды, золы и серы, выраженные в процентах, деленных на 100.

Теплота сгорания нефтяных топлив в зависимости от их хими­ ческого группового состава может находиться в пределах 39 200...

43 300 кДж/кг. Наибольшим значением ^обладаю т парафиновые топ­ лива, а наименьшим —топлива с высокой плотностью и большим со­ держанием ароматики.

Рекомендации.

1.По возможности следует избегать приобретения топлив, отличаю­ щихся высокой плотностью. Предпочтение следует отдавать топливу, имеющему высокую вязкость. Такой выбор обеспечит большую теплоту сгорания топлива и его лучшую воспламеняемость. Запомните, что каж­ дые 10 кг увеличения плотности топлива дают снижение QHна 0,35%.

2.Заказывая топливо, полезно обратить внимание на его важней­ шую характеристику - теплоту сгорания, так как заказчику важна не масса получаемого топлива, а количество тепловой энергии, которую оно даст при сжигании в цилиндрах дизеля. Часто бывает так, что, выгадывая в стоимости топлива (пренебрегая при этом информацией, касающейся величины Q ), в конечном итоге потребитель оказывался не в выигрыше, а в проигрыше.

Стабильность и совместимость топлив.

Стабтьность (stability) —это способность топлива в течение дли­ тельного времени сохранять свои свойства, противостоять образова­ нию осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении, пере­ качках и нагревании.

Склонность к осадкообразованию проявляют главным образом тяжелые остаточные топлива, крекинг-мазуты. Содержащиеся в них смолы, асфальтены, карбены и карбоиды, а также вода выполняют функцию центров коагуляции высокомолекулярных соединений и спо­ собствуют выпадению в осадок крупных частиц. Ими забиваются филь­ тры, сепараторы, в связи с их присутствием в топливе нарушается ра­ бота всей системы топливоподачи.

Иногда центрами коагуляции становятся твердые кристаллы пара­ фина, образующиеся при охлаждении парафинистого топлива. Наруше­ нию стабильности, росту скорости образования осадков способствует нагрев топлива, так же как и его смешивание с другими сортами топлив.

Совместимость (compatibility) топлив находит свое выражение в сохранении стабильности смеси после смешивания компонентов (не возникает последующего осадкообразования).

Несовместимость (incompatability) — характеристика или свой­ ство, в связи с которым топлива, до смешивания бывшие стабильны­ ми, после смешивания теряют свойство стабильности.

Чтобы понять сущность такой характеристики, как несовмести­ мость, полезно еще раз вспомнить о том, что нефтяные топлива пред­ ставляют собой сложные органические смеси, состоящие главным об­ разом из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Топлива, содержащие перечисленные углеводороды, а это в основном дистиллятные продукты, образуют стабильные смеси, близкие по ра­ створимости к идеальным. Тяжелые топлива, получаемые смешивани­ ем остаточных фракций с дистиллятными, содержат значительные ко­ личества высокомолекулярных соединений: асфальто-смолистых ве­ ществ, состоящих из нейтральных смол, асфальтенов, карбенов и карбондов. Эти вещества не растворяются в основной массе более легких углеводородов, поэтому остаточные топлива, в отличие от дистиллятных, не являются однородными, но представляют собой коллоидную среду, состоящую из однородной среды углеводородов с относительно небольшим отношением С/Н, в которой диспергированы крупные и мелкие скопления асфальто-смолистых соединений.

Центрами таких скоплений (мицелл) являются асфальтены, моле­ кулы которых, благодаря своей полярности, образуют ассоциаты - ядра мицелл, состоящие из 3... 5 молекул и окруженные оболочками из ра­ створенных в топливе смол, характеризующихся меньшими отноше­ ниями С/Н.

Наружный слой таких образований состоит из ароматических уг­ леводородов, обладающих высокой поверхностной активностью и по­ этому легко адсорбирующихся на мицеллах. Эти оболочки предотвра­ щают слипание и объединение мицелл, сохраняя их в коллоидной фазе без выпадения в осадок. Более того, благодаря наличию полярных сил, ароматики создают расклинивающий эффект, выражающийся в отбра­ сывании мицелл друг от друга, что позволяет коллоидной системе со­ хранять мелкодисперсное состояние. Смешивание с ароматизирован­ ными топливами не нарушает стабильности смеси, а происходящее увеличение толщины сольватных оболочек из ароматиков делает смесь еще более устойчивой. Подобная смесь является совместимой.

Когда же остаточное топливо смешивается с топливом, содержа­ щим парафиновые соединения малой молекулярной массы (с низким отношением С/Н), которые играют роль растворителя, защитные сольватные кольца растворяются и происходит объединение и укруп­ нение асфальтеновых ассоциатов, выпадение их в остаток. Образую­

щийся при этом шлам имеет вид мазеподобной массы черного или коричневого цвета. В этом проявляется несовместимость составляющих.

Нарушению равновесия смеси способствует и ее нагревание, при котором смолы сольватных оболочек растворяются. Отрицательное влияние оказывает увеличение содержания асфальтенов, которое мо­ жет быть спровоцировано нагревом до 300-350° С. Явление несовмес­ тимости может быть существенно уменьшено или предотвращено, если есть возможность при смешивании топлив уменьшить долю парафинистого компонента.

Проблема.

Несовместимость топлив различного вида. В некоторых случаях смешивание разнородных топлив может привести к их несовместимо­ сти, выражающейся в интенсивном шламообразовании. Иные возмож­ ные последствия: затрудненное сепарирование топлива, а также - за­ купорка топливных фильтров и остановка двигателя. Несовместимость проявляется при смешивании остаточных продуктов, чаще всего - кре­ кинг-топлив, с парафиновыми дистиллятами.

Рекомендации.

1.Не следует смешивать топлива разных бункеровок, они могут оказаться несовместимыми.

2.При желании произвести смешивание полезно предварительно проверить компоненты на совместимость (см. метод «пятна»).

3.Следует избегать смешивания топлив в пропорции 50 : 50 или 40 : 60. Добавка парафинистого компонента не должна превышать

10- 20% .

Проверка на стабильность и совместимость топлив осуществ­ ляется с использованием метода горячей фильтрации. В судовых усло­ виях можно рекомендовать использование метода «пятна». Этот метод

Рис. 11.6. Метод ASTMD2781. Эталонные пятна смесей топлив: а) и б) - смеси совместимы; в), г), д) - смесь нестабильна, ее нельзя рекомендовать к использованию

■>р

Показателем самовоспламеняемости дистиллятных топлив, оце­ ниваемым по продолжительности периода индукции, является цетановое число (ЦЧ). Дистиллятные топлива преимущественно парафино­ вого ряда имеют цетановые числа в диапазоне 45...60, топлива с пре­ имущественным содержанием ароматических составляющих - около 35. ЦЧ нафтеновых соединений колеблется между этими крайними значениями. Для крекинг-дистиллятов характерно очень высокое со­ держание ароматиков, и поэтому их ЦЧ малы: лежат в пределах 5.. .22.

Величину ЦЧ дистиллятных топлив определяют эксперименталь­ но на специальной одноцилиндровой установке с дизелем, имеющим переменную степень сжатия. Сложность метода и невозможность оцен­ ки ЦЧ тяжелых топлив ограничивают его применение.

Расчетный углеродно-ароматический индекс (ССАТ) был разра­ ботан фирмой «ШЕЛЛ» для оценки самовоспламеняемости тяжелых остаточных топлив. За основу принимают наличие связи, существую­ щей, с одной стороны, между присутствием в топливах ароматических и парафиновых углеводородов, с другой стороны, с их плотностью и вязкостью. Напомним, что рост плотности свидетельствует об увели­ чении доли ароматических составляющих, а увеличение вязкости - о росте доли парафиновых составляющих.

Метод основан на получении расчетной оценки CCAI с использо­ ванием уравнения:

CCAI= dI5~ 140,7 lg lg (v50 + 0,85) - 80,6. (11.5)

Используемые здесь величины d]Sи vs0могут быть взяты из серти­ фиката (паспорта) на топливо.

Рис. 11.8. Рекомендуемые зоны значений расчетного углеродно­ ароматического индекса CCAI топлив, используемых в мало-, средне- и высокооборотных двигателях {а, б, в - соответственно)

276 Судовые двигатели внутреннего сгорания

На основе многочисленных экспериментов было установлено, что для топлив с удовлетворительной воспламеняемостью числен­ ные значения CCAI находятся в пределах зоны, ограниченной сверху кривыми А я Б (рис. 11.8). Небезынтересно заметить, что хорошая воспламеняемость (малые значения параметра ф.) применительно к высокооборотным двигателям обеспечивается топливами с величи­ нами CCAI меньше 840. Для среднеоборотных двигателей, у которых время, отводимое на процесс сгорания, не столь ограничено, можно допустить применение топлив, имеющих значения CCAI в пределах 850...870.

Для малооборотных двигателей допустимы топлива с еще более высокими значениями критерия ССА1. Если же значения CCAI оказы­ ваются в зоне, расположенной выше кривой Б, то следует ожидать, что вероятен чрезмерно большой период задержки воспламенения и что сгорание будет проходить на линии расширения, максимальное давле­ ние сгорания снизится, ухудшится экономичность, возрастут темпера­ туры выхлопных газов, двигатель будет перегреваться и дымить. Реко­ мендации (рис. 11.8) следует рассматривать в качестве ориентировоч­ ных, так как реакция каждого двигателя на воспламеняемость топлива индивидуальна и зависит как от конструкции, так и режимов, на кото­ рых он эксплуатируется

Осведомленность о порядке величин ЦЧ или CCAI топлива необ­ ходима для того, чтобы, во-первых, была возможность определить, подходит ли рассматриваемое топливо для данного двигателя или нет, и, во-вторых, чтобы получить априорную информацию о том, как бу­ дет происходить сгорание нового топлива, и заранее принять необхо­ димые меры.

Проблемы.

1.Ухудшение самовоспламеняемости и сгорания топлива. Такое снижение качества топлива может быть связано с увеличением в его составе продуктов крекинг-процессов. При этом характерно высокое содержание асфальто-смолистых соединений и ароматиков.

2.Рост периода индукции и снижение скорости сгорания. Изме­ нения такого рода влекут за собой перенос характеристик сгорания на линию расширения, снижение величиныр г (рис. 11.7), рост уровня теп­ ловых нагрузок, снижение экономичности и мощности двигателя.

3.Увеличение жесткости сгорания, рост ударных нагрузок. В до­ полнение к явлениям, отмеченным в п. 2, при сжигании дистиллятных крекинг-топлив, для которых характерно большое содержание арома­ тических составляющих и обладающих в связи с этим плохой воспла­

гут подвергнуться заражению микроорганизмами и бактериями, попа­ дающими в них из атмосферы. Возможен и вариант заражения, связан­ ный со смешиванием топлива с уже зараженными продуктами.

Пока топливо остается «сухим», пока в нем отсутствует вода, бак­ терии не размножаются и не приносят вреда ни двигателям, ни их си­ стемам. При любом обводнении в зараженном топливе сразу же начи­ нается интенсивное размножение микроорганизмов и бактерий.

Уже упоминалось о том, что на судне вода попадает в топливо в результате ее конденсации на стенках танков, из-за протечек в змееви­ ках парового обогрева. Свою лепту в заражение топлива микроорга­ низмами вносит и вода, остающаяся на дне танков после их временно­ го использования для балластировки судна. Следует знать, что пробле­ мы заражения дизельных топлив может практически не существовать, поскольку такие топлива легко отделяются от воды, не смешиваясь с ней, и вода своевременно удаляется. Таким образом, при должном кон­ троле за наличием воды в топливе и своевременном ее удалении среда, благоприятная для размножения микроорганизмов в них, будет отсут­ ствовать. Диаметрально противоположная ситуация характерна для тяжелых топлив, особенно для крекинг-топлив, содержащих асфальто­ смолистые соединения, обладающие высокой поверхностной активно­ стью, что способствует образованию стойких водотопливных эмуль­ сий, которые в зоне поверхности раздела топлива и воды создают усло­ вия, благоприятные для активизации жизнедеятельности микробов. Скорость развития такого заражения может достигать феноменальных масштабов. Начав с популяции в несколько сотен, сообщество микро­ бов меньше, чем за неделю, может увеличиться до миллиарда микро­ организмов в одном миллилитре. Размножение бактерий и микроорга­ низмов сопровождается деградацией углеводородов топлива. Продук­ ты его разложения, слизистый шлам, выпадают в осадок, забивают фильтры и сужения трубопроводов. Образующиеся при этом кислоты вызывают разъедание и коррозию металлов. В танках, в зонах раздела воды и топлива на внутренней поверхности листов обшивки возникает точечная коррозия, глубина поражения достигает десяти и более мил­ лиметров. На скорость размножения существенное влияние оказывает температура среды.

Характерны е признаки зараж ения топлива:

1.Появление неприятного и резкого запаха сероводорода H 2S (за­ пах тухлых яиц).

2.Слизистые отложения на дне танков.

3.Закупорка фильтров.

4.Эмульгирование топлива и необычно большие отложения в ба­ рабане пурификатора.

5.Питтинговая коррозия днища танков и стенок в зонах раздела «вода—топливо».

6.Появление пленок черного цвета на медных поверхностях.

7.Закупорка сопловых отверстий.

Проблемы.

1.Возникновение отложений биологического происхождения. Раз­ множение микроорганизмов в толще топлива стимулирует образова­ ние на дне танков слизистых отложений, шлама. Попутно происходит закупорка фильтров, трубопроводов и пр.

2.Возникновение специфического вида коррозии. Под воздействи­ ем продуктов жизнедеятельности микроорганизмов происходит разъе­ дание металла, коррозия узкого пояса стенок танков в зонах раздела топлива и воды.

Рекомендации.

1.Необходимо всячески избегать значительных обводнений топ­ лива, при этом обращая внимание на состояние змеевиков парового обогревателя (устранять течи). Следует контролировать отсутствие ос­ татков воды в танках перед приемом в них топлива (еще лучше —уйти от практики использования топливных танков в качестве балластных цистерн).

2.Не следует допускать сброса зараженного топлива в танки. Сбор шлама сепарации в отдельные емкости поможет избежать заражения танков и последующей их интенсивной коррозии.

3.Чтобы избежать заражения топлива в расходных цистернах, ре­ комендуется не допускать снижения в них температуры ниже уровня 65° С.

4.В случае серьезного заражения топливной системы микроорга­ низмами рекомендуется прибегнуть к использованию специальных присадок к топливам.