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
51
4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ
УГЛЕВОДОРОДНОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА
Основополагающими факторами маханоактивации являются непосредственное силовое воздействие на молекулярные образования, необратимое
изменение свойств и состава жидкой среды и запуск процесса самоактивации
с выделением внутренней энергии.
В соответствии с этими составляющими механоактивации реализуются
механическое воздействие на жидкую среду, приводящее к неупорядоченному
состоянию, получившему название «квантового хаоса», ослаблению и разрыву
межмолекулярных связей и самоорганизации на молекулярном уровне
до достижения энергетического равновесного состояния.
При механоактивации затрачиваемая энергия возмещается и дополняется за счет образования новых молекулярных цепей, которые восстанавли-
вают энергетический баланс. Для этого необходимо создать локальные большие плотности энергии. Концентрируемая в узловых точках молекулярных це-
пей постоянно поступающая энергия способна разрушить молекулярные цепи
на куски или на свободные радикалы. Узловые точки образуются при раздво-
ении молекулярных цепей, слипании двух молекулярных цепей, внедрении
атомов кислорода, наличии таких дефектов, как двойная связь и нелинейность.
Активатор моторного углеводородного топлива (бензина, дизтоплива,
авиационного керосина, мазута) [1] осуществляет структурирование топлива,
изменяющее его состав и эксплуатационные свойства, в результате чего позволяет получить:
– экономию любого вида топлива от 15 до 27%;
– снижение содержания СО в выхлопных газах от 20 до 50%;
– уменьшение шумности двигателя внутреннего сгорания до 15%;
52
– уменьшение массовой доли серы на 25…50%;
– снижение концентрации фактических смол в 7 – 9 раз.
Активатор является высокоэффективным механическим устройством,
в котором использованы модели феноменологической термодинамики и
молекулярной физики, и имеет три последовательно расположенные ступени
воздействия на топливную среду, приводящие к самоорганизации энергетического состояния по принципу увеличения масс-долей лёгких углеводородов.
Серия опытов была проведена с применением разработанного и запатентованного механоактиватора на моторных топливах: дизельном и бензине
маркиАИ-92. Результаты опытов оценивались посредством хроматограмм,
показателей расхода топлива, экологических показателей топлива и выхлопных газов.
За цикл прохождения жидкой среды через активатор затрачиваемая
мощность, создаваемая движущими силами, равна мощности сил сопротивления
с.сд.с
NN
. Внутри цикла разность работ движущих сил и сил сопротив-
ления должна быть равна разности кинетических энергий в момент
времени Т и в начальный момент Т0:
2
v
2
v
АА
2
0
2
с.сд.с
mm
или
.АА
0с.сд.с
EE
Отсюда
EE
0д.сс.с
АА
. Если
EE
0д.сс.с
АА
, то необходимо
с учётом условия равенства мощностей добавить в правую часть указанного
неравенства дополнительную энергию
i
E
, выделив её как часть внутренней
энергии системы.
Так как данный процесс является основным и теоретически малоизученным, то в дальнейшем рассмотрено получение математической модели выде-
53
ления внутренней энергии жидкой среды, находящейся в диссипативном движении. Механическими факторами, воздействующими на жидкую среду,
являются давление Р и скорость v, создаваемые на входе в активатор и меняющие свою величину внутри активатора.
Примем допущения:
а) скорость изменения выделяемой жидкой средой энергии пропорциональна текущим значениям давления и скорости движения жидкой среды;
б) при перемещении жидкой среды от входа в активатор до выхода из
активатора реализуются одни и те же процессы изменения состояния жидкой
среды;
в) свободный объём активатора, заполненный жидкой средой, можно
разбить вдоль оси активатора на не зависимые друг от друга объёмы.
Тогда, чтобы найти выделяемую жидкой средой энергию
i
E
при пере-
менных давлении Р и скорости v, необходимо решить систему
.)v(
v
,)v(
2
1
nEk
E
mEk
P
E
i
i
i
i
(4.1)
Здесь
mmPfE
i
)v(;)v,(
– слагаемое, не зависящее от P;
nPn )(
–
слагаемое, не зависящее от v.
Полагая, что функция
)v,(Pf
непрерывна по переменным P и v вместе
со всеми своими частными производными до второго порядка включительно,
имеем тождество
.
vv
22
P
E
P
E
ii
Дифференцируя первое уравнение системы (4.1) по v, а второе уравнение по P, получим
54
.
v
,
vvv
2
2
2
P
dn
P
E
k
P
E
dmE
k
P
E
ii
i
i
i
(4.2)
Заменим
P
E
i
и
v
iE
равными им выражениями, взятыми из уравнений
системы (4.1), и на основании условия совместимости системы (4.2) получим
.
v
221121
P
dn
knkk
dm
kmkk
(4.3)
Приняв левую и правую части (4.3) постоянными величинами, получим
равенство, которое должно выполняться при любых значениях P и v.
Обозначим через произведение
21
kk
А постоянную, к которой приравни-
ваем обе части (4.3).
Тогда имеем два обыкновенных дифференциальных уравнения
.
v
,
2
1
Amk
d
dm
Ank
dP
dn
(4.4)
Решая уравнения (4.4), получим
.;lnln;
1
1111
AeBnBPkAndPk
An
dn
Pk
Аналогично имеем
.
v
2
2
AeBm
k
Подставив полученные выражения для n и m в систему (4.1), получим
.
v
,
v
12
v
21
1
2
AeBEk
E
AeBEk
P
E
k
i
i
k
i
i
(4.5)
55
Зафиксируем переменную Р. Тогда первое уравнение системы (4.5)
можно записать в виде дифференциального уравнения
AeBEk
dP
dE
k
i
i
v
21
2
. (4.6)
Из (4.6) следует
.)v(lnln
1
v
2
2
uPkAeBE
k
i
Постоянную интегрирования будем считать функцией переменной v.
Продолжая преобразования, получим
.)v(
v
2
21
AeBeuE
kPk
i
(4.7)
Дифференцируем (4.7) по переменной v
.
vv
v
22
21
kPk
i
eBke
d
du
E
(4.8)
Подставив (4.7) и (4.8) во второе уравнение системы (4.5), получим
.)v(
v
12121
1
v
22
v
22
AeBAeBeukeBke
d
du
PkkPkkPk
Раскрыв скобки в правой части уравнения и сократив на
,01
Pk
e
имеем
12
)v(
v
Buk
d
du
или
.v
2
1
dk
Bu
du
(4.9)
Решая (4.9), найдём
.)v(;lnv)v(ln
1
v
21
2
BCeuCkBu
k
(4.10)
Подставив (4.10) в (4.8), получим
.)v,(
v
1
v
221
AeBeCePE
kkPk
i
(4.11)
56
Здесь С,
1
B
,
2
B
, А – параметры, для определения которых примем сле-
дующие условия:
1. При v 0,
.0)0,( PE
i
Рассмотрим два случая:
а) P ∞,
,0)0,(
2
ABE
i
отсюда
.2AB
б) P 0,
,0)0,0(
1
BCE
i
отсюда
.1BC
После подстановки в (4.11) получим
.11)v,(
vv
221
kkPk
i
eAeCePE
2. При v ∞ и P ∞ из выражения (4.11) имеем
.),( AE
i
Следует предположить, что значение А соответствует полной внутрен-
ней энергии жидкой среды.
Окончательно уравнение (4.11) имеет вид
.1
v
0
21
kPk
i
eECeE
При постоянной скорости v зависимость
)(1PfEi
будет представлена
выражением
,
1
1
FCeE
Pk
i
где
1
F
соответствует значению
i
E
, полученному при таком значении Р, когда
первое слагаемое достаточно мало отличается от нуля.
При постоянном давлении зависимость
)v(1fEi
будет представлена
выражением
,1
v
2
2
k
i
eFE
где
2
F
соответствует потере движения жидкой среды и может быть прирав-
нено
.0E
Подтверждением расщепления молекулярной цепи может служить
(ИК-спектр), представленный на рис. 4.1. Верхнее изображение соответствует
57
номенклатурному дизельному топливу [3], нижнее изображение соответствует
дизельному топливу, подвергнувшемуся механоактивации.
Возникновение на нижнем спектре дополнительных пиков свидетель-
ствует об изменении состава дизельного топлива после механоактивации.
Появляются новые комплексы. Механизм расщепления молекулярных цепей
углеводородов рассмотрен в разделе 3 пособия.
Рис. 4.1. Совмещенные ИК-спектры номенклатурного (верхний)
и активированного (нижний) дизельного топлива
58
Список использованных источников к главе 4
1. Пат. 2411074 Российская Федерация, МПК B 01 F 13/10. Комбиниро-
ванный статический смеситель-активатор / Воробьёв Ю. В., Тетерюков В. Б. ;
патентообладатель Воробьёв Ю. В., Тетерюков В. Б. – № 2009124923/05 ;
заявл. 01.07.2009 ; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 4. – 8 с.
2. Воробьёв, Ю. В. Химические процессы в органических жидкостях,
инициируемые гидродинамическим активатором / Ю. В. Воробьёв, А. П. Кузьмин // Вестник Тамбовского государственного технического ун-та. – 2012. –
Т. 18, № 4. – С. 905 – 911.
3. ГОСТ 305–82. Топливо дизельное. Технические условия. – Введ.
1983-01-01. – М. : Изд-во стандартов, 1982. – 13 с.
59
5. НЕОБРАТИМОСТЬ И ПРОЛОНГИРОВАННОСТЬ МОДИФИКАЦИИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА
В лабораториях ФГБОУ ВО «ТГТУ» (г. Тамбов) исследованы причины
повышения теплотворной способности моторных топлив, подвергнутых
модификации, в том числе активатором по патентам РФ № 2411074 и
№ 2550203, когда облегчается фракционный состав топлив. Показаны перспективы активации топлив.
Исследованы дизельные топлива 10 марок, бензины 8 марок, авиакеросин и рапсовое масло, которые прокачивали через комбинированный статический смеситель-активатор по патенту РФ № 2411074. Активированные топлива исследовали химмотологически и на хроматографе Кристаллюкс 4000М.
Активатор испытывали на ДВС ЗМЗ-406, КамАЗ-740 и ЯМЗ-236
в стендовых испытаниях, а в эксплуатации – на десятке бензиновых и одного
дизельного автомобиля. Проверена дымность отработавших газов дизеля
КамАЗ-740. Отработавшие газы ДВС с активированным топливом проверены
и в Рочестер-Центре (США). С помощью камеры холода КХЛТ 008 оценена
температура замерзания активированного топлива.
Хроматограммы активированных бензинов и дизельных топлив показали значительное облегчение их фракционного состава с образованием
гексана, гептана, 3-метил-пентана до 37%, снижение содержания серы с 0,032
до 0,015%, смол с 7,4 до 0,8 мг/100 мл. В бензине содержание октаноопределяющего толуола повышалось до 16%, в авиакеросине – нонана и декана –
до 21%. Активация обеспечивает сокращение расхода топлив на 20…27%,
уменьшается дымность дизелей, токсичность бензиновых ДВС, значительно
уменьшается температура замерзания дизельного топлива, оно очищается от
смол и соединений серы. Ввод небольшой доли активированного топлива заметно повышает в смеси с исходным долю активированного. На 20…28% снижается расход топлив в ДВС, топлива многократно очищаются от серы, смол,
60
до минус 45 С снижается температура замерзания дизтоплива, в несколько
раз уменьшается выход токсичных газов.
Эффективное и разностороннее механохимическое действие на углеводороды жидких топлив реализовано в активаторе по патенту РФ
№ 2411074. Уменьшение расхода в ДВС топлив, облегчённых активатором,
обусловлено повышением их теплотворности вследствие уменьшения затрат
тепла сгорания на разделение крупных молекул топлив на мелкие. Необратимость активации и её пролонгация из-за действия активных радикалов,
полезны в производстве разных углеводородных топлив, в том числе по нормативам ЕВРО-4.
Для повышения экономичности ДВС применяют разнообразные воздействия на топлива: магнитную, электромагнитную, кавитационную [1, 2], электрическую, триботехническую активацию, реструктуризацию [3] и гомогенизацию углеводородов, ввод присадок. В этом апробирована и механохимия
[4 – 14], выявленная ещё в 1887 г. [4 – 8]. Показано, что даже там,
где разрыв связей требуют высоких затрат энергии, разрывы возможны и механическими напряжениями свыше предела прочности атомных связей [6, 8].
Вначале рвутся наименее энергичные связи с затратами 295…431 кДж/моль,
а прочные требуют до 502,4 кДж/моль, хотя их уменьшают катализаторы:
медь, цинк.
Механохимия деструктирует все нефтепродукты, образует низкомолекулярные гомологи, водород, углерод [6, 8]. Если обрабатывают смеси, то могут возникать новые соединения, гетерогенные цепи из продуктов разрыва.
Разрушение насыщенных углеводородов идёт через разрыв цепей, а непредельных – через образование насыщенных соединений [6, 8] с выделением
тепла. Так, разрушение гептана высвобождает около 419 кДж/моль [15].
Отсюда можно полагать, что механохимическое диспергирование уменьшает
затраты тепловой энергии на разрушение углеводородов при их сжигании.
Кроме изложенного, механохимия вызывает и необычные, неясные, про-
должительные химические реакции, разрушение смол и сернистых