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
31
Активатор прошёл апробацию на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский авиационный инженерный университет» и в Объединённом центре промышленных испытаний г. Рочестер, США, и может быть установлен на любые транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания: автомобили всех
типов, сельхозмашины, спецтехнику, водный транспорт, а также
использоваться на АЗС.
Список использованных источников к главе 2
1. Перник, А. Д. Проблемы кавитации / А. Д. Перник. – 2-е изд., испр.
и доп. – Л. : Судостроение, 1966. – 435 с.
2. Рой, Н. А. Возникновение и протекание ультразвуковой кавитации.
Обзор / Н. А. Рой // Акустический журнал. – 1957. – Т. 3, № 1. – С. 3 – 18.
3. Петров, А. А. Органическая химия : учебник для вузов / А. А. Петров, Х. В. Бальян, А. Т. Трощенко ; под ред. М. Д. Стадничука. – 5-е изд.,
перераб. и доп. – СПб. : Иван Фёдоров, 2002. – 624 с.
4. Арешидзе, Х. И. Исследования в области химии нефти / Х. И. Арешидзе. – Тбилиси : Мецниереба, 1980. – 235 с.
5. Пат. 2411074 Российская Федерация, МПК B 01 F13/10. Комбинированный статический смеситель-активатор / Воробьёв Ю. В., Тетерюков В. Б. ;
заявитель и патентообладатель Воробьёв Ю. В., Тетерюков В. Б. –
№ 2009124923/05 ; заявл. 01.07.2009 ; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 4. – 8 с.
32
3. УНИКАЛЬНАЯ СТАБИЛЬНАЯ ВОДОТОПЛИВНАЯ ЭМУЛЬСИЯ
Задачи энергосбережения и экологической безопасности в топливноэнергетических установках актуальны. Для их решения целесообразны водотопливные эмульсии (ВТЭ), например, мазут + вода, моторное топливо + вода.
ВТЭ из мазута, дизельного, печного топлива, газа даёт значительную их
экономию, заметное повышение ресурса агрегатов, их коэффициента полезного действия на 2…3%, кратное уменьшение вредных выбросов. Кардинальная же очистка отработавших газов от оксидов азота (на 90%) каталитическими регенераторами вызывает затраты 40…70 $/киловатт мощности
дизеля. Таковы же они и при подаче в дизель пара при снижении выброса
оксидов азота до 70%.
Описываемая водотопливная эмульсия готовилась из 65% дизельного
топлива, 33% воды и 2% эмульгаторов – 6 органических веществ из двух
групп. В 1-й гидрофобные вещества, вводимые в дизельное топливо и перемешиваемые в нем. Во 2-й группе – вещества с гидрофильными свойствами,
вводимые в воду и перемешиваемые в ней. Топливо и воду со своими перемешанными эмульгаторами сливали вместе и прокачивали через комбинированный статический смеситель-активатор, защищённый патентом РФ
№ 2411074. Далее состав водотопливной эмульсии контролировали на хроматографе «Кристаллюкс-4000М» со специфическим детектором ПИД.
После выдержки водотопливной эмульсии её состав на хроматографе проверяли повторно. Проведены также эксплуатационные (на автомобиле
Митсубиси Паджеро) и стендовые моторные испытания (на дизеле ЯМЗ-236)
водотопливной эмульсии.
Получена длительно стойкая (более года без расслаивания) водотопливная эмульсия из 65% дизельного топлива и 33% воды с облегчённым,
33
в сравнении с использованным дизельным топливом, даже более лёгким, чем
активированные дизельные топлива.
Длительно стойкая водотопливная эмульсия получена благодаря
правильно подобранным эмульгирующим веществам разного по характеру
действия: на гидрофобное дизельное топливо; на воду. Однако, главным,
по-видимому, явилось механохимическое воздействие на смесь топлива
с водой и с эмульгаторами через активатор по патенту РФ № 2411074, при этом
произошло необратимое физико-химическое взаимодействие молекул воды
с органическими молекулами топлива благодаря активации углеводородов
топлива и необратимая модификация их фракционного состава. Уникальность
продукта заключается в том, что облегчение фракционного состава
дизельного топлива при хранении продукта продолжается. Проведенные
эксплуатационные и стендовые моторные испытания водотопливной эмульсии показали, что её использование не затрудняет запуск ДВС и его эксплуатации, экономия дизельного топлива составляет 9%.
3.1. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ВОДЫ НА СГОРАНИЕ ТОПЛИВ
В целом, вода в топливе ДВС оказывает следующие действия [2 – 4]:
– снижает температуру и предотвращает взрывное сгорание топлив;
– сглаживает динамику давления газов в цилиндре;
– повышает среднее давление в цилиндрах;
– увеличивает полноту сгорания топлива;
– повышает КПД, не снижает мощность, но немного снижает приёмистость;
– ускоряет превращение СО в СО2;
– уменьшает в отработавших газах (ОГ) содержание сажи, NOx, SO
x
в 2–3 раза, а значительно – канцерогенного бензапирена С20Н12 (см. рис. 3.1)
[1];
– очищает камеру сгорания от нагара, обеспечивает работу ДВС
в щадящем режиме, уменьшает износ, вибрацию, шум.
34
Рис. 3.1. Концентрация вредных веществ в продуктах горения
в зависимости от влагосодержания в ВТЭ [8]
Использование ВТЭ без изменения системы топливоподачи в ДВС или
котлах даёт следующие преимущества:
– значительную экономию углеводородной компоненты топлива
за счёт увеличения объёма, занимаемого топливом на 15…50%;
– уменьшение вязкости топлива (ниже вязкости исходного топлива);
– сохранение качества распыливания топлива во всех режимах работы
ДВС;
– улучшение работы дизелей и котлов;
– современное приготовление ВТЭ создаёт топливо высокого качества
даже при наличии в ёмкостях хранения «водяных линз».
Обычно ВТЭ после хранения менее эффективно, чем приготовленное
непосредственно перед сжиганием, не содержащее эмульгаторов и стабилизаторов, дающих нагар. Однако, обеспечение длительной стабильности ВТЭ
возможно только при её тщательном трудоёмком приготовлении.
35
Пионером внедрения ВТЭ для дизелей является морской флот. Для
этого ведущими НИИ СССР велись интенсивные исследования, результаты
которых стали применять в середине 1980-х гг. Так, с 1985 по 1989 гг. были
разработаны установки УКДГ-85, УКДГ-89 по приготовлению ВТЭ для главных судовых дизелей мощностью до 10 600 э.л.с. При этом ВТЭ обеспечивали снижение расхода топлива на 12%, снижение температуры ОГ на
8…10 С, значительное снижение содержания вредных компонент в отрабо-
тавших газах и теплонапряжённости в цилиндропоршневой группе двигателя
(ЦПГ). В установках УКДГ комплект устройств осуществляет многоступенча-
тое диспергирование смеси, гомогенизацию смеси интенсивным кавитационным воздействием от высокочастотного ультразвука.
Была установлена зависимость эффективности ВТЭ для дизелей и
котлоагрегатов от дисперсности и содержания воды, степени модификации
топлив, от способа применения ВТЭ [8 – 10]. Поэтому установками УКДГ
Одесского «ЦЭТ Гидротопливо» была обеспечена эффективная работа дизелей и котлоагрегатов на ВТЭ с водосодержанием 5…30%. Дисперсность 98%
капель воды 1…5 мкм, их максимум – 20 мкм, при этом дисперсность капель
топлива 3…5 мкм. При этом топливная аппаратура на всех режимах работает
без отказов.
Было выявлено, что наибольший экологический эффект даёт ВТЭ
с 15…20% воды, наибольший эффект по утилизации загрязнений дают ВТЭ
с 30% содержанием воды, наибольшее снижение удельного расхода топлива
(г/кВтч) достигается при водосодержании 17…25%. При обводнении ВТЭ
свыше 20% эффективность горения снижается, но при обеспечении стабильности горения возможна утилизация любых стоков [9].
К 1990 году установки УКДГ были введены на 50 судах морского флота
СССР, 9 – на судах Черноморского Морского Пароходства. За рубежом введение ВТЭ велось ведущими дизелестроительными компаниями в связи
36
с Международным соглашением «IMO» об ограничении вредных веществ
в отработавших газах (ОГ) судовых силовых установок. Так, финская фирма
«Вяртсиля» после длительных испытаний отказалась от впрыска воды
в цилиндры и применяет ВТЭ с 30% воды и 0,5% присадки, стабилизирующей
горение. Корпорация MAN B&W в среднеоборотных дизелях 48/60IS
и 58/60IS на круизных судах использует ВТЭ, получаемые гидродинамическим и ультразвуковым методами для мазута с 15% воды. Здесь содержание
NОx в ОГ дизелей снижается до 6,7 г/кВтч, что в два раза меньше нормативов
«IMO». Применение ВТЭ на пассажирских судах свидетельствует
о высокой надёжности работы ДВС на ВТЭ.
Контроль износа цилиндропоршневой группы (ЦПГ) при работе с ВТЭ
был впервые проведен в [9] на судовом дизеле 6ДКРН 74/160-3. Было установ-
лено, что скорости износа деталей ЦПГ при использовании ВТЭ не превышают скорости износа при работе на обезвоженном мазуте [9].
Экспериментальные и теоретические исследования процессов сжигания
водотопливных смесей активно ведутся во многих странах, что сказалось на
понимании сложности физико-химических процессов, сопровождающих горение ВТЭ. Так, авторы [16, 15] полагают, что активация смеси воды и
углеводородов создаёт новые фазы веществ, стабилизируемые электростатическими силами от наведенных зарядов. Из-за них в смесях возникают свободные радикалы, что позволяет реализовать низкотемпературное горение, более
полное сжигание топлива, резкое уменьшение содержания продуктов неполного сгорания в ОГ, увеличение срока службы и КПД ДВС.
Рисунки 3.2 и 3.3 демонстрируют полученные в Санкт-Петербургском
Технологическом институте [16] результаты испытания двигателя ЯМЗ-2Э8Л
при использовании композиции дизельного топлива с 20% воды. Видно, что
применение ВТЭ позволяет существенно понизить температуру отработавших
газов и содержание в них СО в широком интервале изменения частоты вращения коленвала дизельного двигателя.
37
Рис. 3.2. Зависимость температуры ОГ от частоты вращения коленвала дизеля:
1 – дизельное топливо, 2 – ВТЭ, [16]
Рис. 3.3. Зависимость концентрации СО в ОГ
от частоты вращения коленвала дизеля:
1 – дизельное топливо; 2 – ВТЭ [16]
38
3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ОСОБЕННОСТЕЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
И СГОРАНИЯ КАПЕЛЬ ВТЭ
3.2.1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ
КОМПОЗИЦИЙ И АКТИВИРОВАННОГО
ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Нами использовались высокостабильные ВТЭ (ВВТЭ), получаемые
в Тамбовском государственном техническом университете. Исходный состав
водотопливной композиции: 65% масс. дизельного топлива, 33% масс.
дистиллированной воды, 2% масс. эмульгаторов по патенту № 2365618
приведённых ниже составов:
– компонент 1 – анионные ПАВ (алкилсульфаты общей формулы),
0,48%; неионные ПАВ (сорбитанолеат), 0,15%;
– компонент 2 – полиолефины (полиальфаолефины), 0,64%;
– компонент 3 – бетаин, 0,22%;
– компонент 4 – нитрированное масло, 0,44%;
– моторные масла или их промоторы, 0,072%.
Компонент 1 вводили и перемешивали в 3,3 л воды, а остальные вводили
и перемешивали в 7,5 л дизельного топлива. Полученные композиции
воды, топлива сливали в общую ёмкость, из которой смесь в течение 3 мин
прокачивали через активатор по патенту № 2550203 (рис. 4) [18]. Химмотологический и хроматографический анализы полученной ВТЭ показали
такие её параметры:
– состав: воды 33%, дизельного топлив Л-0,2 по ГОСТ 305 65%, эмуль-
гаторов, стабилизаторов 2%;
– свойства: плотность 897 кг/м3, температура вспышки не ниже 67 °С,
предельная температура фильтруемости в соответствии с ГОСТ 305
39
не выше – 5 °С, коррозию на медной пластинке по классу I не проявляет,
содержание серы, определяемой по методу ГОСТ 32511–2013, соответствует
норме.
Сравнение составов ВТЭ и дизельных топлив (ДТ), определённых
на хроматографе «Кристаллюкс 4000» в сертифицированной Тамбовской
лаборатории судебно-медицинской экспертизы, показало следующее:
1. Доля лёгких углеводородов в ВТЭ (без их учёта в комплексе активированного ДТ Евро и ДТ ВНИИТиН) вплоть до С15Н32, больше, чем в активированном ДТ Евро и заметно больше, чем в неактивированном ДТ.
2. Доля тяжёлых углеводородов в ВТЭ, начиная с С16Н34, заметно
меньше, чем в неактивированном и в активированном ДТ Евро.
Превалирование лёгких и меньшее содержание тяжёлых компонентов
в ВТЭ, в активированном в ТГТУ дизельном топливе, выдержанном 57 дней,
имеет чрезвычайный характер и обусловливает значительное (на 20…27%)
уменьшение расхода топлив, свидетельствует о высоком качестве ВТЭ
из ТГТУ, что подтверждено стендовыми испытаниями двигателей
КамАЗ-740, ЯМЗ-236 и ЗМЗ-406 в ВУНЦ ВВА ВВС МО (г. Воронеж).
Полученную 17.12.2017 г. ВТЭ выдержали до апреля 2018 г. и снова под-
вергли химмотологическому и хроматографическому контролю, который, как
и у активированного дизельного топлива, показал неизменность свойств ВТЭ.
А сравнение спектрограмм ДТ и ВТЭ показывает превосходство ВТЭ перед
ДТ по разнообразию фракционного состава.
Использованный нами для получения ВТЭ и механоактивации дизельного топлива смеситель-активатор (рис. 3.4) [18] содержит четыре последова-
тельно установленные секции. В первой секции осуществляется вихреобразование, во второй – кавитационное действие, в третьей – общий поток жидкой
среды разделяется на малые пересекающиеся струи, в четвёртой выравниваются скорости течения в потоке.
40