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
11
Известен десяток отечественных и зарубежных патентов на простые и
сложные кавитационные диспергаторы жидкостей. Некоторые из них производятся. Особенность одного из них (патент № 2077939) – в обеспечении стабилизации давления в зоне кавитации. Здесь полую регулировочную иглу
с торцем, располагаемым перед зоной кавитации, смещают по оси до визуально наблюдаемого максимума кавитационного факела. При этом шариковые
клапаны на игле открываются/закрываются, перепуская часть потока
через иглу, чем, не зависимо от величины потока на входе в кавитатор, стабилизируют давление в зоне кавитации и её эффективность.
Известен простейший кавитационный модификатор топлив по патенту
РФ № 2435649 (рис. 1.1). Его авторы считают, что он может использоваться
в водоснабжении для удаления двухвалентного железа, окисления сточных
вод, насыщения влагой воздуха, охлаждения воды, в противопожарной технике. В кавитаторе полость входа топлива имеет форму обратного усечённого
конуса, две цилиндрические и одну коническую полости. Далее, по ходу
топлива зона кавитации имеет жиклер, три цилиндрические полости, одну
полость усечённого конуса.
Авторы кавитатора считают, что он разрушает часть молекул топлив,
облегчает фракционный состав и повышает теплотворность топлив.
Рис. 1.1. Топливный кавитатор по патенту РФ № 2435649:
1 – корпус; 2 – зона подачи топлива; 3 – зона кавитации;
12 – штуцер подвода; 11 – отвода топлива
12
Образующиеся в кавитации свободные радикалы усиливают сгорание,
температура возгорания топливовоздушной смеси падает, оно сгорает равномернее и полнее, расход топлива уменьшается до 30%, в 2–3 раза уменьшается
выход некоторых вредных газов. Облегчается зимний запуск ДВС, перепускаемое в бак топливо, обогащённое в кавитации свободными радикалами,
частично поглощает конденсат в баке, насыщается им, благодаря чему
очищает камеры сгорания ДВС.
Результаты испытаний кавитатора в 2010 г. приведены в табл. 1.1.
Из неё следует, что при стабильном потоке топлива его экономия больше.
Кавитатор встраивают в топливную систему ДВС, например, после бензонасоса, перед устройствами впрыска топлива. Для дизелей в системе низкого
давления топлива нужен дополнительный насос с регулятором давления.
Размеры полостей кавитатора оптимизированы испытаниями.
Требования к топливной системе ДВС: внутренний диаметр топливопроводов 4…8 мм; давление топлива более 2,5 бар. При увеличении диаметра
топлив топливопроводов необходимо повышать давление топлива, чтобы скорость потока на входе в кавитатор, как считают авторы, была не менее 30 м/с.
Авторами кавитатора получены такие значения «X»: для всех бензинов –
1,07221; для всех дизельных топлив без дополнительного насоса – 1,33996,
а с ним (5 бар) – 0,47023.
1.1. Результаты испытаний кавитатора в 2010 г.
Марка
автомобиля
Рабочий
объём ДВС, л
Пробег
с кавитатором, км
Экономия, %
Стиль вождения
NissanTiida
1,6
3500
10
Агрессивный
Mazda 626
2,0
1500
12
Умеренно
агрессивный
NissanAlmera
1,6
1300
18
Умеренно
агрессивный
ВАЗ 2115
1,5
1200
25
Агрессивный
ВАЗ 2111
1,5
2400
31
Спокойный
13
НЦ НВМТ и ФГБОУ ВО «МЭИ» являются ведущими организациями РФ
по фундаментальным исследованиям, разработке и внедрению технологий и
средств кавитационной обработки жидкостей. И здесь уделено внимание
кавитационной подготовке нефтепродуктов к сжиганию в энергетике.
Например, Ю. С. Юшковым, О. В. Шмырковым [12] в цилиндрическом генераторе с насечкой и лунками на деталях, омываемых жидкостью, исследовано
смешивание масел И-50А, подсолнечного и турбинного ТП-22 в широком диапазоне их вязкости. Использованные сложные каналы, в сравнении с гладкими, увеличили интенсивность кавитации на 60%. А для эмульсии
воды с маслом И-50А получен рост содержания капель размером до 3 мкм
с 78% до 90%, а капель до 5 мкм – к 96%. Ещё больше кавитация уменьшила
капли эмульсии с растительным нерафинированным маслом благодаря
его природным эмульгаторам. Получено 60% капель размером от 1,5
до 20 мкм [12].
Но эти вихрегенераторы [12], улучшая дисперсность эмульсии на 13%,
на 15…20% увеличивают эрозию тел обтекания. Выявлено: эрозия идёт
на всём пути движения вихрей с места их срыва с тела обтекания до мест их
исчезновения, где она наибольшая; смещение области максимальной эрозии
относительного зоны максимального перепада давления в генераторе; генератор создаёт сопротивление 0,5…0,7 МПа и потребляет 0,2…0,3 кВтч на т/час
продукта.
Важно, что в НЦ НВМТ [12] получены зависимости длин кавитационных зон от конструктивных и режимных параметров, позволяющие формировать автомодельные кавитационные области с заданными характеристиками.
Выявлены оптимальные побудители кавитации. Показано, что частоты f
пиков давлений за побудителями кавитации в диапазоне 8103…2105 Гц
линейно зависят от числа Рейнольдса: f = 0,0068 Re. А число Струхаля Sh
постоянно и равно Sh = 0,34 [12].
Особенность диспергатора «БРАВО» [8] в том, что кавитация не эрозирует его детали. А эмульсия из него после замораживания и размораживания
14
полностью сохраняет свои свойства. Авторами диспергатора, как обычно,
предположено, что в нём происходит деструкция кластеров и молекул углеводородов, разрушение примесей. При диспергировании мазута его структура
становится полностью однородной. В ВТЭ с содержанием воды 18…24% вода
в мазуте распределяется исключительно равномерно, эффективность работы
котлоагрегатов не снижается, уменьшается выход СО, NOx, значительно
уменьшается выход сажи [8].
Используя опыт НЦ НВМТ, несколько по-другому обеспечено диспергирование нефтепродуктов в активаторах по патентам РФ № 2411074 и
2550203 [14, 15]. Так, активатор (рис. 1.2) по первому патенту – это цилиндр
длиной 150 мм, диаметром 30…50 мм, имеет три камеры, пригоден для ДВС
мощностью до 300 л.с.
По механизмам действия активатора предположено, что в первой камере
вихревые потоки между винтовыми элементами с противоположной по
направлению навивкой разрушают конгломераты молекул (кластеров, глобул),
и прозрачность полистиролового цилиндра камеры несколько ухудшается;
Рис. 1.2. Схема активатора по патентам РФ № 2411074 и № 2550203:
1 – корпус; 2, 3 – витые элементы; 4 – стержень; 5 – диск с микроканалами;
6 – конус стержня; 7 – микроканалы; 8 – промежуточная камера;
9 – смеситель из перекрещивающихся решёток
15
во второй – кавитация диспергирует сами молекулы, и прозрачность камеры
нарушается, а в третьей – в узких (0,05 мм) щелях нескольких решёток истираются продукты кавитационного диспергирования без потери прозрачности
камеры.
Такие механохимические и кавитационные воздействия обусловливают
необратимость и пролонгированность модификации топлив – особое достоинство активатора. Но кавитацию в нём формулами 1 – 4, по-видимому, оценить
затруднительно, так как она возникает не за телом обтекания, а при впрыске
топлива в камеру разрежения.
Первые активаторы официально испытаны в 2011 г. на двигателях
КамАЗ-740, ЗМЗ-406. Усовершенствованный – в 2014 г. на дизеле ЯМЗ-236,
а заново произведённые в АО «ТЗ» «Ревтруд» в 2019 г. – на двигателе
УМЗ-417. В эксплуатации первые активаторы испытаны на десятке автомобилей [15 – 18]. В 2013 году на одноцилиндровых установках (ДВС),
по методикам, указанным в НТД на нефтепродукты, в лаборатории № 7
ФГБНУ «ВНИИТиН» испытаны бензины 8 марок и ДТ трёх марок.
В Rochester Institute of Technology (США) проведён контроль активированных
топлив и содержания вредных веществ в ОГ ДВС, работавших с активатором:
объём ДТ увеличился на 2,49%, содержание серы уменьшалось
на 50%, смол в 7 – 9 раз, выход с отработавшими газами NO – на 17%, NO2 –
на 14%, CO – на 49%.
Десятки проб ДТ и бензинов, авиакеросина, рапсового масла до и после
активации проанализированы по 150 хроматограммам с хроматографа
Кристаллюкс-4000М. ДТ испытаны в камере холода КХТВ-0,08, контролировали дымность ОГ дизеля КамАЗ-740 на автобусе НефАЗ-5299 [18].
Испытания активаторов на двигателях КамАЗ-740, ЗМЗ-406, ЯМЗ-236
показали уменьшение расхода ДТ на 26,5, 28,6, 26,7% а бензина на
21,3, 27,7% с заметным снижением в ОГ содержания СНх. На легковом
дизельном автомобиле получено сокращение расхода ДТ до 31,9% [16, 17].
А испытания в 2019 г. на ДВС УМЗ-417 активаторов, изготовленных заново
в 2018 г. на ОАО «ТЗ» «Ревтруд», показали экономию бензина 27,4%.
16
Около 150 сравнительных хроматограмм ДТ и бензинов показали:
уменьшение в активированных топливах содержания молекул с числом
атомов углерода более 10; образование лёгких гексана, гептана, 3-м-пентана
до 37%, а в ДТ – отсутствующего в товарном топливе октана до 30%; снижение
содержания серы с 0,032 до 0,015%, смол – с 7,4 до 0,8 мг/100 мл.
В бензине содержание толуола повышалось до 16%, в авиакеросине – нонана
и декана до 21%. Проверка замерзания ДТ марки Л-0,05-62 показала, что
товарное при –30 С полностью замерзло, а активированное сохранилось
при –45 С.
Контроль состава активированных ДТ 10 марок от 7 компаний выявил
заметное уменьшение содержания в них молекул С10…С14, С11…С18,
небольшую убыль молекул С19…С25, а в ДТ фирмы LIQVI MOLY молекулы
С11…С13 исчезли полностью. На рисунке 1.3 показаны модификации некоторых ДТ.
а) б)
Рис. 1.3. Изменение состава ДТ:
а – ДТ компании «Лукойл», где резко уменьшился объём фракций С11Н24…С14Н30,
но образовалось 23% фракций С6Н14, С7Н16;
б – ДТ из Тамбова; верхняя кривая – исходное топливо, нижняя – активированное
17
Важным доказательством модификации моторных топлив, повышения
их теплотворности и уменьшения их расхода в ДВС служат, например,
результаты модификации бензина в НЦ НВМТ, где пятым таким приёмом его
теплотворность повышена на 28% [20].
Конкурентом описанному является Украинский малогабаритный активатор [7] (рис. 1.4) весом 180 г. По данным автора активатор пригоден
на пропуск до 220 л/ч, не засоряется, без ограничения ресурса, не требует утилизации, электропитания, не нагружает топливную систему ДВС. Активатор,
как пишет автор, содержит «кавитатор на основе нескольких приёмов и точнейшей внутренней геометрии».
1.2. Энергия связей между атомами углерода
в углеводородах
№
Вещество
Теплота сгорания
Энергия связи между атомами
углерода, кДж, моль
кДж/моль
кДж/г
1
Метан
890,930
55,73
–
2
Этан
1560,88
51,92
220,98
3
Пропан
2220,30
50,37
441,96
4
Бутан
2880,26
49,61
662,94
5
Пентан
3511,50
48,73
883,72
6
Гексан
4165,82
48,40
1104,9
7
Гептан
4820,39
48,19
1325,88
8
Октан
5474,41
47,97
1546,86
9
Декан
6783,16
47,72
1988,82
18
Рис. 1.4. Миниатюрный Украинский гомогенизатор моторных топлив [7]
Первоначально прибор был проверен в приготовлении водомасляной
эмульсии для мотоблоков, проведены его испытания на автомобиле Рено-19
с пробегом 280 тыс. км. Автор прибора писал: «… при –10…–15 °С мотор
заводился «с полоборота», в холодном ДВС на холостых оборотах переставали
стучать клапаны, прекратился сизый цвет ОГ, а прогретая машина потеряла
звук работающего ДВС и достаточно было минимального нажатия на
педаль газа. Содержание СО в ОГ было нулевым». Контроль в Черкасской
нефтебазе показал, что в активированном ДТ немного снизилась плотность,
изменился фракционный состав, половина ДТ перегонялась при температуре
на 11 °С ниже. В отличие от необработанного, оно при сжигании на стекле
не оставило пятен и не коптило [7].
После 2007 года этот гомогенизатор на различных промышленных выставках Украины получил несколько почётных дипломов.
Не ясные по механизму воздействия физическими полями, кавитацией,
механохимией, их сочетанием (чем отличается активатор по патенту РФ
№ 2411074) – это апробированные за более чем столетие приёмы модификации веществ, а в последний период – это эффективные и малозатратные
методы повышения теплотворности и уменьшения расхода моторных топлив.
Отсутствие их должного применения в РФ – следствие неэффективного управ-
ления экономикой страны.
19
Необратимость и пролонгированность модификации топлив активатором по патенту РФ № 2411074 уменьшает их расход в топливно-энергетических установках на 25…28%. Активатор может применяться и
в производстве топлив по нормам ЕВРО-3 и ЕВРО-4. Но активатор нуждается
в контроле под полной нагрузкой ДВС, в ресурсных испытаниях на эрозионную стойкость, в контроле эффективности в холодный период года,
в оптимальном масштабировании для различных ДВС, в апробации магнитного поля, в снижении стоимости до 2500 руб. и широком внедрении его
эффективных моделей на транспорте и АЗС.
Механизмы модификации жидкостей в камерах активатора требуют
физико-химического изучения, выделения главного из них, обеспечения его
стабильности для разных топливо-энергетических установок. Целесообразно
это провести и с визуальными наблюдениями через прозрачный корпус активатора, особенно с изменением скорости потока бензина, дизельного топлива,
воды, моторного масла, с изменением температуры жидкостей, с наложением
магнитного, электромагнитного поля разных частот на камеры активатора.
Обязателен сравнительный контроль теплотворности товарных и активированных топлив, их молекулярная спектроскопия, химмотология (плотность,
температура вспышки…) и хроматография жидкостей, отбираемых
из камер активатора.
Апробация активатора на маловязких нефтях позволит уточнить пределы его эффективности в разрушении тяжёлых и полного разрушения некоторых лёгких углеводородов. Возможна апробация активатора и на АЗС.
Результаты исследований, понимание механизмов и особенностей
работы активатора позволят оптимизировать конструктивы и материалы его
деталей, режим использования, обеспечить эффективность модификаций
активатора. А выяснение причин повышения теплотворности активированных
топлив, крутящего момента ДВС при работе на активированном топливе,
по-видимому, является задачей физхимии. Потому были бы полезны и сравнительные испытания описанных активаторов.
20
Список использованных источников к главе 1
1. Василевский, А. В. Обработка дизельного топлива ультразвуковым
кавитационным воздействием / А. В. Василевский // Труды Рязанского высшего воздушно-десантного командного училища. – 2012. – Т. 1-2, № 42-43. –
С. 18 – 20.
2. Воробьёв, Ю. В. Химические процессы в органических жидкостях,
инициируемые гидродинамическим активатором / Ю. В. Воробьёв, А. П. Кузьмин // Вестник Тамбовского государственного университета. – 2012. – Т. 18,
№ 4. – С. 905 – 911.
3. Воробьёв, Ю. В. Моделирование разрыва молекулярных цепей жид-
ких сред посредством механоактивации / Ю. В. Воробьёв, Н. В. Воробьёва //
Вестник Тамбовского государственного университета. – 2013. – Т. 19,
№ 4. – С. 800 – 804.
4. Воробьёв, Ю. В. Основы теории механоактивации жидких сред /
Ю. В. Воробьёв // Вестник Тамбовского государственного университета. –
2013. – Т. 19, № 3. – С. 608 – 613.
5. Воробьёв, Ю. В. Химическое действие гидроудара в активаторе
моторного топлива / Ю. В. Воробьёв, А. П. Кузьмин // Вестник Тамбовского
государственного университета. – 2014. – Т. 20, № 1. – С. 95 – 100.
6. Воробьёв, Ю. В. Анализ результатов механоактивации дизельного
топлива на основе хроматографического исследования / Ю. В. Воробьёв,
И. В. Фарахшина // Вопросы современной науки и практики. Университет
им. В. И. Вернадского. – 2016. – № 3(61). – С. 38 – 41.
7. ЦЭТ Гидротопливо. – URL : http://www.vortexfuel.com.ua
8. Сайт. – URL : www.bravotech.ru
9. Кавитация. Большая Советская энциклопедия. – М. : Изд-во
«Советская Энциклопедия», 1977. – Т. 11.