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
61
соединений. Особо следует отметить, что в ней образуются и высокореакционные свободные радикалы [15], например, R-CH2- (рис. 5.1):
H H H H H H H H
R−C−C−C−C−R→R−C−C− ∙ −C−C−R.
H H H H H H H H
Рис. 5.1. Разрыв связей, образование ненасыщенных валентностей атомов углерода
и свободных радикалов в механохимии углеводородов [11]
Короткоживущие (до 0,1 с) алкильные (СН3–) и арильные (СН3СН2–)
радикалы и перекиси [16 – 18] действуют на среду с высокими скоростями
рекомбинаций, присоединения и диспропорционирования. Но образуется и
значительное количество долгоживущих (от нескольких минут до нескольких
месяцев и даже лет) свободных радикалов. При этом возможно образование
в качестве би-радикалов молекул кислорода, которые незначительно, но име-
ются в моторных топливах. Возможно образование и полирадикалов с более
двух неспаренных электронов и взрывных перекисей: R–CH2–O–O– [15].
Разнообразная эффективность механохимии показана многими исследованиями [4 – 11, 13, 15], а особенно фундаментальными многоплановыми ра-
ботами в научном центре нелинейной волновой механики и техники академика РАН Р. Ф. Ганиева (НЦ НВМТ РАН) [4, 9, 10, 14]. Параллельно работам
в нём и на их основе апробированы механохимические активаторы по патентам РФ № 2101074 (трёхкамерный) [11, 13] и № 2550203 (четырёхкамерный).
Наиболее эффективным оказался трёхкамерный активатор. В цилиндре дли-
ной 150 мм, диаметром 30…50 мм имеет три последовательные камеры, встра-
ивается в топливную систему ДВС, не требует привода, не содержит химических веществ, не уменьшает ресурс ДВС (рис. 1.2).
В первой камере активатора происходит встречное винтообразное
перемешивание и растирание струй, дробление кластеров. Из первой камеры
62
во вторую струи продавливаются через капилляры, где идёт кавитационное
дробление молекул. В третьей камере – продавливание фрагментов молекул
через микрощели, что продолжает их разрыв. Такие воздействия обеспечивают их необратимость – особое достоинство активатора по патентам
№ 2411074 и № 2550203.
Активатор многократно проверен хроматографией 8 марок бензинов,
десятком марок дизельных топлив (ДТ), контролем их расхода [11, 13] и
выброса вредных веществ с ОГ ДВС. Хроматограммы активированного
дизельного топлива и бензина разных поставщиков показали уменьшение
доли тяжёлых углеводородов и образование лёгких: гексана, гептана, 3-метилпентана до 37%, снижение содержания серы с 0,032 до 0,015%, а смол
с 7,4 до 0,8 мг/100 мл. В бензине содержание октаноопределяющего толуола
повышалось до 16%, а в авиакеросине – нонана и декана – до 21%. Активатор
апробирован и на биотопливе.
Для проверки активатора вначале проведены с ним стендовые испытания двигателей КамАЗ-740 и ЗМЗ-406 в Военном Авиационном Инженерном
Университете (г. Воронеж). Здесь уменьшение расхода дизельного топлива
с разными активаторами составляло 26,5 и 28,6%, а бензина 21,3, 27,7 и
31,9% с заметным снижением в ОГ содержания углеводородов [11].
В ФГБНУ «ВНИИТиН» Россельхозакадемии исследованы активированные бензины Нормаль-80, Регуляр-92, Премиум-95, Супер-98 по ГОСТ Р 5110697, бензинов АИ-92 по ТУ 38.001165-97, АИ-98 по ТУ 38.401-58-127-95, бензины «Суперлюкс» и «Премиум» Британской компании «Beyond petroleum» по
комплексу методик ускоренных испытаний нефтепродуктов на натурных
агрегатах, модельных одноцилиндровых установках, а также в ДВС, в сочетании с испытаниями по методикам контроля, указанным в НТД на каждый
нефтепродукт. Там же аналогично испытаны ДТ сортов В и С вид II, а также
топливо класса 1 вид I по ГОСТ Р 52368–2005 (ЕН 590:2009) топливо дизельное Евро. Исследования активированных топлив показали [11]:
63
– в активированных топливах уменьшается содержание углеводородов
с числом атомов углерода более 10 с синтезом лёгких углеводородов (гексан,
гептан, 3 н-пентан), концентрация которых составляет 20…30%;
– содержания серы уменьшается в 1,5–2 раза, а фактических смол
до 9 раз;
– содержание в ОГ ДВС токсичных газов уменьшается по СО на
49%, по NO и NO2 до 14%.
Усовершенствованный активатор аналогично испытан на дизеле
ЯМЗ-236 с тремя разными топливами при его установках в магистрали подачи
топлива в ТНВД и в магистрали слива из него [13]. На холостом ходу
дизеля в одиннадцати испытаниях выявлено уменьшение расхода топлива
в среднем на 26,3% (табл. 5.1).
Испытаниями Rochester Institute of Technology (США) [11], подтверждено уменьшение в моторных топливах содержания серы до 50%, смол
в 7 – 9 раз, а выбросов в ОГ: NO – до 17%, NO2 – до 14%, а CO – до 49%.
Подтверждением активации явилось увеличение объёма дизельного топлива
на 2,49%.
Проведены и эксплуатационные дорожные испытания десятка активаторов на отечественных и импортных бензиновых и дизельных автомобилях
с сокращением расхода бензина до 31,9%.
Десятками хроматограмм (хроматограф Кристаллюкс-4000 М с детектором ПИД-ПДФ, аккредитованная Тамбовская лаборатория судебной
экспертизы) показано, что активатор заметно изменяет фракционный состав
бензинов, дизельных топлив (рис. 5.1), авиакеросина, биотоплива.
Так, на рис. 5.2, а показана неординарная модификация ДТ компании
«Лукойл» с резким уменьшением необычно большого количества тяжёлых
компонентов. В ДТ может образоваться подавляющее (до 30%) содержание
октана, отсутствующего в исходном топливе [11].
Соответствующие изменения химмотологии топлив показаны в табл. 5.2 и
5.3.
64
5.1. Результаты испытаний усовершенствованного активатора
Частота вращения
коленчатого вала, мин–1
Наличие
активатора
Расход топлива, г
за 5 мин испытаний
Экономия, мл/%
1100
+
267
71/21,0
1100
+
253
85/25,2
1100
–
338
–
1100
+
267
71/21,0
1280…1300
+
244; 209,7
при 1100 мин–1
128,3/38,0
Среднее
249,18
88,83/26,3
а) б)
Рис. 5.1. Модификация ДТ компании «Лукойл» (а) и ДТ,
исследованного в ФГБНУ «ВНИИТиН» (б):
резко уменьшилось содержание фракций С11Н24…С14Н30,
но образовывалось до 30% фракций С6Н14
65
5.2. Изменение химмотологических показателей ДТ Л-0,05-62
ГОСТ 305–82 по данным аккредитованной лаборатории
ООО «Тамбов-Терминал»
№
в табл.
ГОСТ
305
Показатели
Норма по
ГОСТ 305
НТД на метод
контроля
Результаты
испытаний топлива
исходн.
активир.
2
Фракционный
состав топлива
Л-0,05-62:
– 50% перегоняется
при температуре, С,
не выше;
– 95% перегоняется
при температуре, С
не выше
280
360
ГОСТ
ISO 3405,
ГОСТ 2177
(метод А)
264
341
263
351
4
Температура
вспышки, определяемая в закрытом
тигле, С, не ниже
40
ГОСТ
ISO 2719,
ГОСТ 6356
64
78,5
5
Массовая доля серы,
% не более
0,2
ГОСТ 19121
0,032
0,015
0,05
ГОСТ
ISO 20846,
ГОСТ 51947
12
Концентрация
фактических смол,
мг/100 см3
40
ГОСТ 5759
7,4
0,8
16
Плотность
при 20 С, кг/м3
863,4
ГОСТ 3900
830,7
828,6
Каковы же физические причины существенного уменьшения расхода
моторных топлив, прошедших активатор по патенту РФ № 2411074?
Возможно, что повышается теплотворность их сгорания. Примем во внимание, что для сжигания топливо должно быть подогрето, избавлено от негорючих примесей и испарено до молекул.
66
5.3. Результаты фракционной разгонки
активированного автомобильного бензина
в аккредитованной лаборатории «ООО Тамбов-Терминал»
Показатели
Норма по НД
НД на метод
Результаты
испытаний
Фракционный состав:
– температура начала
перегонки, С, не ниже
35
ГОСТ
21779–99
47
– 10% бензина перегоняется
при температуре С,
не выше
70
59
– 50% бензина перегоняется
при температуре С,
не выше
115
90
– 90% бензина перегоняется
при температуре С,
не выше
180
150
Конец кипения бензина, С,
не выше
195
193
Остаток в колбе, %,
не более
1,5
1,5
Остаток и потери, %,
не более
4,0
1,5
Далее, при прогреве должно пройти дробление углеродной цепи молекул, отделение атомов водорода, полное разделение между атомами углерода.
Параллельно должна идти диссоциация молекул кислорода. Лишь после этого
происходит соединение атомов топлива с атомами кислорода. Эти процессы,
по-видимому, значительно облегчены в активаторе.
В итоге, если диссоциацию молекул топлива и кислорода проводить
заранее, то теплота горения не будет затрачиваться на подготовку топлива,
и его теплотворная способность будет больше, чем определяемая в калориметрической бомбе. Это может быть одной из причин повышения активатором
теплоты сгорания топлив, что частично подтверждается, например, повышенной, в сравнении с жидкими нефтепродуктами, теплотворностью нефтяных
67
газов (как бы диспергированных углеводородов), где нет необходимости дробления кластеров (табл. 5.4).
Из таблицы видно, что с увеличением длины углеводородной цепи
затраты энергии на связи между атомами углерода увеличиваются, а отсюда
массовая теплотворная способность топлив уменьшается.
5.4. Показатели энергии связи между атомами углерода
в молекулах углеводородов
№
Вещество
Теплота сгорания
Qс1,
кДж/моль
Q1 + Qс1,
кДж/моль
Q
0с1
,
кДж/моль
Qс1 – Q
0с1
,
кДж/моль
Q1,
кДж/моль
кДж/г
1
Графит
393,680
394,1
– – –
–
2
Водород
286,020
123,01
– – –
–
3
Метан
890,930
55,73
– – –
–
4
Этан
15,60
51,92
220,98
1781,86
220,98
–
5
Пропан
2220,30
50,37
452,49
2672,79
441,96
10,53
6
Бутан
2880,26
49,61
683,46
3563,72
662,94
20,52
7
Пентан
3511,50
48,73
943,15
4454,65
883,72
59,43
8
Гексан
4165,82
48,40
1179,76
5345,58
1104,9
74,85
9
Гептан
4820,39
48,19
1416,12
6236,51
1325,88
90,24
10
Октан
5474,41
47,97
1653,03
7127,44
1546,86
106,17
11
Декан
6783,16
47,72
2126,14
8909,30
1988,82
137,34
В таблице обозначены:
Q1 – стандартная теплотворная способность топлив по справочным дан-
ным, кДж/моль;
Qc1 – энергия связи атомов углерода в углеводородной цепи [11],
кДж/моль;
Q
oc1
– энергия связи только двух одиночных атомов углерода [11],
кДж/моль.
68
Из таблицы видно, что с удлинением углеводородных цепей энергия свя-
зей в них увеличивается, а отсюда массовая теплотворность топлив уменьшается.
Но главным подтверждением предположениям о повышении теплотвор-
ности активированных моторных топлив являются удивительные результаты
определения теплотворной способности бензинов, модифицированных в НЦ
НВМТ РАН академика Р. Ф. Ганиева.
Механохимия в активаторе имеет особенности в том, что, по-видимому,
под влиянием долгоживущих радикалов модификация топлив продолжается
и за активатором. А ввод доли активированного топлива в неактивированное
заметно повышает в смеси долю активированного.
Таким образом, механохимическое диспергирование с образованием
радикалов уменьшает расход тепла сгорания на разрушение углеводородов.
И чем длиннее их цепи, тем ощутимее может быть высвобождение энергии их
связей. А проф. Ф. М. Канаревым подчёркнуто [12], что чем больше актов
воздействия механохимии, тем глубже модификация вещества.
Однако механизм существенного повышения теплоты сгорания активированных топлив по физхимии проф. Ф. М. Канарева [19] иной. Им показано,
что для разрушения связей между валентными электронами атомов в цепи достаточно затратить 2,56 eV механической энергии, а для термического разрыва
энергии требуется в два раза больше – 5,13 eV, так как каждый обособившийся
электрон для своей стабильности должен получить по тепловому фотону энергией 2,56 eV.
Поэтому после механического разделения валентные электроны вместо
тепловых поглощают по эфирному фотону из физического вакуума общей
энергией в 5,13 eV. Поглотив по эфирному фотону, валентные электроны становятся полноценными, активными, могут восстановить свою разорванную
связь и соединить части разорванных молекул. Но, соединяясь, электроны
излучают поглощенные из эфира фотоны и энергонасыщают вещество той же
энергией 5,13 eV.
69
Таким образом, затратив в механохимии 2,56 eV, при воссоединении
электронами их связей насыщают вещество энергией двух тепловых фотонов
5,13 eV или 248 кДж/моль. Выигрыш 2,56 eV или 124 кДж/моль. При разрыве
же связей между несколькими атомами углеводородной цепи выигрыш может
быть больше.
Из изложенного, как представлено в [19], дробление механохимией
углеводородов на обрывки молекул с обратимым действием валентных электронов и может быть причиной повышения теплотворной способности
и уменьшения расхода топлива в ДВС.
Возможно, что описанные процессы могут происходить и при разрыве
кластеров молекул, связей между атомами водорода и углерода. А если связи
разрушать резонансным магнитодинамическим способом [19], то будет возможно углубить модификацию топлив, ещё более повысив их теплотворность.
Подтверждением этому может служить достигнутый в водоэлектролитических ячейках проф. Ф. М. Канарева коэффициент теплоотдачи величиной
29 000% [19].
Стандартно теплоту сгорания определяют в калориметрической бомбе,
где отсутствуют какие-либо воздействия на топливо, а активаторы обусловливают механохимическое воздействие. Отсюда понятно, что подобные процессы в воде, газах также позволяют получать дополнительную энергию.
И только в РФ на основе трубки Ранке–Хильша выпускаются более 30 аппаратов водяного отопления, в которых тепловая энергия в 1,1 – 10 раз превышает
энергию на привод водяного насоса этих отопителей.
Однако для сжигания топлив проф. Ф. М. Канарев высказывает третье
мнение: «Все эффекты, связанные с повышением давления сгорания топлив
в закрытых полостях, формируются не газами, а фотонами. А объёмы световых фотонов, излучаемых электронами в реакциях предварительно диссоциированных молекул, в 100 000 раз больше объёмов их источников – электронов,
а попутно излучаемые невидимые инфракрасные фотоны в 10, 20 – 100 раз
70
больше объёма световых фотонов» [19]. Отсюда следует, что уменьшение расхода моторных топлив обусловлено как их преобразованиями в активаторе,
так и процессами в камерах сгорания ДВС.
Отличительной особенностью механохимии углеводородов, но только
в активаторе по патенту № 2550203, является то, что реакции в углеводородах
идут не только при их прохождении в активаторе, но и благодаря высокому влиянию долгоживущих активных радикалов, реакции продолжаются даже после
выхода углеводородов из активатора. Следовательно, после активации преобразования топлив продолжаются, и небольшая доля активированного топлива,
введенная в не активированное, заметно повышает долю активированного.
Особенность механохимии в активаторе по патенту № 2550203 подтверждается в экспериментах с такими результатами:
– в исходном топливе после ввода в него 10%-ного активированного
топлива через 15 мин появились новые, более лёгкие углеводороды (гептан,
гексан, 3-н-пентан (комплекс) в количестве 23,8%;
– в исходном топливе после ввода в него 20% активированного
топлива через 15 мин образовалось 12% комплекса вместо 5,6%;
– в исходном топливе после ввода в него 30% активированного
топлива через 15 мин образовалось 39% этого же комплекса.
Вывод: взаимодействие активных радикалов со средой зависит не только
от собственных свойств самих радикалов, но и от состояния возбуждённого
объекта их воздействия.
Образование активных свободных радикалов при механохимическом
действии активатора по патенту № 2550203 снижает температуру воспламенения топлива, повышает скорость и полноту его сгорания. Это подтверждается
более мягкой работой ДВС с меньшими динамическими нагрузками, возможностью их работы с увеличенным углом опережения зажигания, так как новые
компоненты топлива воспламеняются уже при меньшей температуре.
Таким образом, разрыв высокоэнергетических связей в молекулах углеводородов с образование коротко- и долгоживущих радикалов уменьшает
затраты тепла сгорания на расщепление молекул топлива на атомы. И чем