Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Актуальные проблемы энергосбережения. Физико-химические процессы в углеводородном моторном топливе, инициируемые гидродинамическим активатором. Учебно.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Ю. В. ВОРОБЬЁВ, Г. С. БАРОНИН,
А. В. МИЛОВАНОВ, Д. О. ЗАВРАЖИН
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В УГЛЕВОДОРОДНОМ МОТОРНОМ
ТОПЛИВЕ, ИНИЦИИРУЕМЫЕ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ АКТИВАТОРОМ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов направлений:
22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов»,
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
и 35.03.06 «Агроинженерия» дневной формы обучения
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2020
УДК 355.242.4(075.8)
А43
Актуальные проблемы энергосбережения. Физико-химические
Рассмотрены основы теории механоактивации углеводородных моторных
машин и комплексов» и 35.03.06 «Агроинженерия» дневной формы обучения.
ISBN 978-5-8265-2160-1
© Федеральное государственное бюджетное
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2020
з
ББК
35я73
А43
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Механика и инженерная графика»
Доктор технических наук, директор ФГБНУ «ВНИИТиН»
Рецензенты:
ФГБОУ ВО «ТГТУ»
С. И. Лазарев
В. В. Остриков
процессы в углеводородном моторном топливе, инициируемые гидро-
динамическим активатором [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Ю. В. Воробьёв, Г. С. Баронин, А. В. Милованов, Д. О. Завражин. –
Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2020. – 1 электрон.
опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса
Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 32,0 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ;
мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-2160-1
топлив и создания водотопливных эмульсий с использованием гидродинамических активаторов.
Предназначено для студентов направлений: 22.04.01 «Материаловедение и
технологии материалов», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических
ББК
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
УДК 355.242.4(075.8)
з
35я73
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
1
3
ВВЕДЕНИЕ
Научная и практическая подготовка высококвалифицированных кадров
для новых наукоёмких физико-химических технологий требует сегодня
новых идей и подходов. К таким технологиям относится повышение экономичности топливно-энергетических установок. Рост цен на топливо обусловливают инновации в эксплуатации автомобильной и стационарной техники
с двигателями внутреннего сгорания. Потребность в повышении экономичности самоходной и стационарной техники обусловливают такие новые технологии, как модификация моторных топлив физическими и механохимическими воздействиями активацией углеводородного топлива (УВТ) и разработка водотопливного эмульсионного топлива (ВТЭ).
Практическое приложение этих технологических процессов связано
с механохимическим воздействием механоактиватора (МА) на УВТ.
В результате действия МА изменяются состав и свойства УВТ, снижается
содержание тяжёлых фракций, повышается содержание более лёгких фракций, снижается содержание серы и смол, уменьшается расход топлива.
МА является высокоэффективным механическим устройством, в котором
реализуются модели феноменологической термодинамики и молекулярной
физики, приводящие к самоорганизации энергетического состояния и рабочего процесса в цилиндрах двигателя.
Активированное (структурированное) моторное топливо, помимо указанных преимуществ, увеличивает ресурс ДВС за счёт улучшения организации рабочего процесса в цилиндрах двигателя, обеспечивает более лёгкий
пуск при низких температурах, а по составу отводящих газов (ОГ) приближается к экологическим требованиям сертификата Евро-5, независимо от
исходного качества топлива.
Согласно современным концепциям реформирования профессионального высшего образования в нашей стране коренным образом должна измениться подготовка специалистов высшей квалификации по приоритетным
направлениям техники, физико-химии и науки о материалах. Мировой опыт
развития науки и образования показывает, что удовлетворение этим требованиям достигается тесной интеграцией университетов с академическими и
отраслевыми секторами науки, проводящими фундаментальные и прикладные
научные исследования.
4
1. ОСОБЕННОСТИ МОДИФИКАЦИИ
УГЛЕВОДОРОДНОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА
Потребность в повышении экономичности топливно-энергетических
установок, рост цен на топливо обусловливают инновации в эксплуатации
самоходной и стационарной техники с двигателями внутреннего сгорания.
Одна из них, например, модификация топлив физическими и механохимическими воздействиями.
Общепринято, что образование веществ и их взаимодействие имеют
электромагнитную природу, но на них влияют и внешние воздействия.
Поэтому электростатические, магнитные, электромагнитные поля модифицируют нефтепродукты, изменяют их свойства и, особенно, при наличии
полярных углеводородов. А так как доля полярных компонентов в нефтепродуктах различна, то и эффект их модификации различен.
Имеются предположения, что вышеуказанные воздействия диспергируют углеводороды путём их электростатического разряжения, или наоборот,
как диэлектриков, путём поляризации. Но также известно, что полярные компоненты углеводородов, в том числе молекулы присадок, под влиянием своих
поверхностных сил объединяются в кластеры/глобулы, а магнитное, электромагнитное, электростатическое воздействия, например, в устройствах Украинской академии железнодорожного транспорта, деструктирует их. В итоге,
так или иначе, но многие воздействия на нефтепродукты, хотя и в разной мере,
но всё же деструктируют и сами молекулы углеводородов [1 – 8].
Вследствие явного влияния внешних полей на нефтепродукты,
с довоенных времён известно множество серийных, сертифицированных,
и не серийных отечественных и зарубежных устройств для электростатической, электромагнитной и магнитной обработки бензина, дизельного топлива
(ДТ) и впускного в ДВС воздуха с разнообразным сочетанием постоянных
и электромагнитов. Эти устройства давали экономию бензина, уменьшали
5
дымность авиамоторов. В наше время такие обработки сложными устройствами вошли в гражданскую сферу многих стран, но появились и простые
кавитаторы Украины, Новосибирска, Череповца, из г. Шахты. А кавитационная обработка судового топлива из Одессы вышла на океанские масштабы.
Изначально модификацию топлив считали лишь способом повышения
полноты их сгорания без учёта экономии топлив. Но её энтузиасты в последнее время акцентируют внимание именно на экономии в ДВС бензина на
5…10% и более. И по многолетним испытаниям множества средств воздействия на топлива, например, кандидатом технических наук А. Ю. Шабановым
в Петербургском политехническом университете, «эти средства снижают расход топлива ДВС на холостом ходу не менее чем на 15%, по рабочему циклу –
на 3…6%. Происходит улучшение смесеобразования, очистка камер сгорания
в ДВС, а основной эффект – уменьшение на 40…50% дымности дизелей».
Другие приёмы воздействия на жидкости – гидродинамическая и акустическая кавитация [1, 7 – 12]. Она с 1917 года (физик Рэлей) исследована
весьма обстоятельно. Кавитация используется, например, в Научном Центре
Нелинейной Волновой Механики и техники (НЦ НВМТ) при ИМАШ РАН
в более 30 генераторах нелинейных волновых явлений для получения однородных, высокостабильных, с тонкой дисперсностью (от мкм до нм) эмульсий,
суспензий и пен [12]. Действие генераторов основано, как считают
в НЦ НВМТ, на резонансе в рабочей среде на частотах, обусловленных конструкцией генераторов и режимами потоков жидкостей.
Естественная гидродинамическая кавитация возникает, когда местное
давление жидкости падает ниже давления насыщения пара при данной температуре, и порции жидкости переходят в другое фазовое состояние, образуя парообразные полости (кавитационные пузырьки или каверны). Условие
наступления этой кавитации [9, 10] соответствует верхнему граничному
значению ориентировочного безразмерного критерия или числа кавитации «Х» (1.1), соотносящему давление жидкости у тела обтекания со скоростью его обтекания:
6
2,2X
н
PP
(1.1)
где Р – гидростатическое давление набегающего потока;
н
P
– давление насы-
щенного пара; ρ – плотность жидкости;
– скорость жидкости на достаточ-
ном отдалении от обтекаемого тела.
Считается, что Х служит критерием подобия в моделировании потоков
гидродинамической кавитации, но он не отражает физику разнообразных
невероятных эффектов в кавитации. Критерий Х является лишь «свадебным
генералом», для обстоятельных же исследований используют уравнение константы энергии потока, не зависящей от скорости потока V и давления P
в любом сечении трубопровода (1.2):
const,
2
2
g
V
g
P
(1.2)
а также условие возникновения кавитационного пузырька, когда для его образования жидкость должна быть раздвинута на расстояние, не менее двойной
длины расстояния между молекулами при минимальном растягивающем
напряжении Рσ (1.3):
,2 RP
(1.3)
где σ – величина поверхностного натяжения жидкости, Па; R – радиус
пузырька, м.
Более содержательно уравнение (1.4) устойчивости пузырька [13]:
.232
н000на0
PRRRRPPPP
, (1.4)
где
0
P
– начальное давление в пузырьке; Па,
а
P
– акустическое давление, Па;
P
– гидростатическое давление набегающего потока, Па;
н
P
– давление
насыщенных паров, Па;
0
R
– начальный радиус пузырька, м
Соответственно изложенному, возникновение каверн подобно закипанию жидкости. Но в кипении жидкость переходит в пар при среднем в ней
7
давлении – при давлении насыщенного пара, а при кавитации среднее давление в жидкости выше давления насыщенного пара и падение давления в зоне
кавитации локально.
Тем не менее, в зависимости от величины «Х», различают такие потоки
[9, 10]:
– докавитационный – сплошной, однофазный при Х > 1;
– кавитационный – двухфазный при верхнем граничном значении
Х ≈ 1;
– плёночная кавитация – с устойчивой кавитационной полостью при
Х < 1;
– суперкавитационный – при Х << 1.
Увеличение скорости потока
после начала кавитации вызывает
быстрое количественное и качественное прогрессирование каверн с размерами от 10–2 см (до сжатия) до 10–5…10–7 см при времени схлопывания пузырь-
ков порядка 410–6 с. Может происходить объединение пузырьков в общую
паровую полость [9, 10]. Вероятность кавитации тем выше, чем ниже давление
на входе, больше скорость движения рабочих органов или жидкости и неравномерность обтекания жидкостью твёрдого тела.
Ведущую роль в образовании каверн играют газы, проникающие внутрь
растущих пузырьков. Эти газы, всегда содержащиеся в жидкостях, при местном снижении давления интенсивно внедряются в пузырьки [9].
И при большом содержании газа в жидкости кавитационный пузырёк после
достижения минимального размера восстанавливается и может совершить несколько затухающих колебаний. Из изложенного сомнительно, что кавитация
тем сильнее, чем меньше газа в пузырьке [10] и для её усиления требуется
дегазация топлива [10].
В зоне повышенного давления условия кавитации исчезают, пузырьки
схлопываются, пар конденсируется, частицы жидкости вокруг каверн
устремляются к их центру, сталкиваются в гидроударе с импульсами давления
до 104 кгс/см2 и более, с местным адиабатическим нагревом газа
8
в пузырьках до 104 С, со звуколюминисценцией и ионизацией газа. Энергия,
освобождаемая при схлопывании пузырьков, значительна. Её достаточно для
возбуждения, ионизации и диссоциации молекул жидкостей, газов и веществ
в каверне. А если пузырьки длительно схлопываются вблизи тела обтекания,
то происходит его эрозия [9].
Кавитации способствуют «её зародыши»: неоднородность жидкости;
инородные капельки; плохо смачиваемые участки тела; твёрдые частицы
с трещинами, заполненными газом; микроскопические пузырьки воздуха,
паров воды, предохраняемые органическими оболочками; ионные образования, возникающие под действием космических лучей; сотрясения, вибрации;
повышенная температура, так как растёт давление упругости паров, и ослабляются связи в молекулах жидкости. В этих случаях кавитация происходит
при давлении, меньшем, чем давление насыщенного пара [9].
В газах, растворённых в жидкостях, относительное содержание кисло-
рода больше, чем в воздухе, поэтому эти газы более агрессивны, чем воздух.
Агрессивность газов, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает
эрозию и, хотя и медленное, окисление даже химически инертных веществ
(золото, стекло и др.). А импульсы давления при схлопывании пузырьков разрушают многие детали.
Интенсивность кавитации оценивают по разрушению алюминиевой
фольги, в которой кавитирующие пузырьки пробивают отверстия, по эрозии
свинцовых пластин. По количеству и расположению повреждений судят
об интенсивности кавитации и конфигурации её зоны [9].
Для исключения кавитации абсолютное давление в жидкости в любой её
зоне должно быть не ниже критического значения, например, давления
пара. Поэтому с увеличением давления («обжатие» газа в жидкости),
с её охлаждением, со снижением растворимости газа в жидкости, увеличением
частоты звука и сокращением продолжительности озвучивания вероятность
кавитации исчезает. И здесь важна длина трубопровода [9, 10].
9
Однако этого классического описания кавитации недостаточно. Позже
Рэлея Флиггом было обнаружено рождение в кавитации нейтронов, Григсом –
избыточной энергии, а Л. В. Ларионовым предположено, что в водной кавитации может идти «холодный термоядерный синтез», так как в воде, кроме протия, содержится и 0,015% дейтерия. Кавитация может сопровождаться
сонохимическими реакциями, сонолюминесценцией – яркими точечными
вспышками голубоватого света при схлопывании каверн, когда мощное
звуковое действие порождает световое излучение.
Обнаружено влияние на кавитацию магнитного поля. Данные о температуре, давлении при схлопывании пузырьков и о других показателях таковы
[9, 10]:
– в воде: температура 3000…20 000 К, а давление 300…3000 атм;
– в нефти: температура около 10 000 К, а давление 100…10 000 атм.
при времени схлопывания пузырьков от 0,009 до 0,04 с;
– из каверн в воде выбрасываются струи со скоростью до 280 м/с
(1008 км/ч), с давлением до 2000 атм и температурой до 5000 К.
Отсюда ясно, что кавитация – очень сложное явление.
Особенности воздействия кавитации на нефтепродукты требуют особого рассмотрения. Результаты её воздействия известны давно, но применяются мало. Промышленное воздействие кавитацией на нефтепродукты было
начато на Полтавщине в 1960 г. Серийно производились гидродинамические
смесители для нефтехимии, утилизации фенольных вод. Это актуально и
ныне, с ухудшением качества нефти, с ростом стоимости её переработки и подорожанием нефтепродуктов.
Кавитацией обрабатывали топливо, оно облегчается, увеличивается его
калорийность, дополнительно очищается, в нём существенно уменьшается
содержание смол, оно сгорает полнее, уменьшаются вредные продукты
недогорания. Кавитаторы снижают вязкость топлива, требуемый нагрев
и увеличивают дисперсность распыливания. Ими создают водно-мазутные
и водно-топливные эмульсии для повышения эффективности сжигания топлив, для сжигания обводнённых топлив.
10
Исследования кавитации проводили некоторые вузы, например,
РГУНиГ им. И. М. Губкина, и НИИ, особенно Томский научный центр.
Так, В. Т. Грумондзом [11] сделан анализ превращений углеводородов
на границах фаз и в фазовых переходах в акустической кавитации, возбуждаемой ультразвуком. Исследования «томичей» предполагалось использовать
в переработке нефти, повышая выход светлых фракций, преобразуя тяжёлые
остатки.
Время преобразования углеводородов нефти в кавитации должно быть
существенно меньше времени жизни каверн, иначе преобразования не успеют
пройти. Но установлено, что расширение пузырьков идёт длительнее, чем
быстрое адиабатическое сжатие, поэтому диффузия углеводородов в пузырьки
превалирует над их выходом. Так, время входа в пузырьки паров гексена-1
на несколько порядков меньше времени реакций в переработке нефти.
Поэтому принято, что превращения углеводородов происходят быстро при
росте пузырьков и заканчиваются при их сжатии при высоком давлении и температуре [11]. Однако модификация молекул углеводородов во время проникновения газов из нефтепродуктов в пузырьки сомнительна, диспергирование
молекул углеводородов, по-видимому, обусловлено динамикой давления и
температуры при схлопывании каверн.
Энергия связей атомов в молекулах углеводородов 40…400 кДж/моль.
Прочность связей С–Н различна, атом водорода легче оторвать в середине мо-
лекулы парафина, чем в конце. Энергия С–С связей также несколько умень-
шается к середине углеродной цепи, т.е. длинные углеводороды легче разо-
рвать в середине. Поэтому в кавитации большой интенсивности и длительно-
сти связи С–С разрушаются, молекулярный вес углеводородов уменьшается,
их физико-химические свойства изменяются. На разрывах молекул возникает
свободная энергия, обусловливающая присоединение к ним радикалов.
При недостатке радикалов обрывки молекул сами объединяются
в различные соединения [11].