Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
Эксплуатационные свойства дизельных топлив . 8
Влияние эксплуатационных свойств дизельных топлив на работу дизеля 9
Способы улучшения эксплуатационных свойств дизельных топлив на нефтеперерабатывающих заводах
Способы улучшения эксплуатационных свойств дизельных топлив при хранении и транспорти ровании 15
Применение ультразвука в технике 17
Применение ультразвука для обработки нефте продуктов 1 21
27
Способы получения ультразвука в условиях сельскохозяйственного производства 28
В ы в о д ы 31
Цель и задачи исследования 32
Теоретические предпосылки исследования 34
Теоретический анализ и исследования работы
гидродинамического излучателя ультразвука . 34
Теоретический анализ и исследования влияния ультразвука на эксплуатационные свойства дизельных топлив 51
В ы в о д ы 53
Экспериментальные установок и методы исследований 54
Выбор излучателя ультразвука 54
Лабораторная установка для обработки топлива ультразвуком 58
Приборы и методы измерения частоты ультразвука и оценки действия ультразвука на нефтепродукты
3.3. Установка для замера параметров рабочего процесса дизеля би
3.4. Производственная установка для обработки дизельного топлива ультразвуком 60
3.5. .Методы исследований 65
3.5.1. Программа и общая структуаная схема . исследования * 65
3.5.2. Методика лабораторных исследований. 71
3.5.3. Методика стендовых исследований 75
3.5.4. Методика, эксплуатационных исследований . 86
3,5.5. Планирование экспериментов и математическая обработка результатов исследования... 87
3.6. В ы в о д ы 92
4. Экспериментальные исследования влияния ультразвуковой обработки дизельного топлива, на его эксплуатационные свойства . 95
4.1. , Лабораторные исследования 95
4.I.I. Влияние ультразвуковой обработки на . плотность дизельного топлива 95
4.1.2. Влияние ультразвуковой обработки на . фракционный состав дизельного топлива 100
4.1.3. Влияние ультразвуковой обработки на , кинематическую вязкость.дизельного, топлива . ЮЗ
4.1.4» Влияние ультразвуковой обработки на, температуру вспышки дизельного топлива 106
4.1.5. Влияние ультразвуковой обработки.на коксуемость 10%-ного остатка дизельного топлива 108
4.1.6. Влияние ультразвуковой,обработки на температуры помутнения и застывания . дизельного топлива III
4.1.7. Влияние ультразвуковой обработки на фильтруемость дизельного.топлива П6
4.2. Стендовые исследования 117
4.3. Эксплуатационные исследования. 126
4.4. Вывод ы 128
Технико-экономическое обосномнйе эффективности обработки дизельного топлива ультразвуком
Расчет экономического эффекта . 131
Общие выводы 143
Литература
- Эксплуатационные свойства дизельных топлив .
- Теоретические предпосылки исследования
- Выбор излучателя ультразвука
- Влияние ультразвуковой обработки на . плотность дизельного топлива
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98ІЛ985 годы и на период до 1990 года"; принятых на ХХУІ съезде КПСС, говорится: "Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого поступательного развития народного хозяйства;ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны/ всемерной экономии:: всех видов ресурсов и улучшения качества работы... все актуальнее становится задача улучшить структуру топливно-энергетического баланса»». Очень многое монет дать совершенствование двигателей, перевод автотранспорта на дизельное и газовое топливо".
Долговечность и экономичность работы дизеля во многом зависят от эксплуатационных свойств дизельного топлива. Вопросами улучшения эксплуатационных свойств дизельного топлива занимаются многие научно-исследовательские институты и заводы нефтеперерабатывающей промышленности. Существуют способы предотвращения и улучшения эксплуатационных свойств дизельных топлив в условиях их применения такие, как предотвращающие испарения» обводнения, загрязнения, окисления и очистка от загрязнений и воды. Существующие способы не ограничивают поиск новых,дающих возможность изменить структуру углеводородных групп и обеспечить лучшее распиливание,смесеобразование,сгорание топлива и "мягкую" работу дизелям Одним из способов улучшения эксплуатационных свойств дизельного топлива является обработка его ультразвуком. Ультразвуковая обработка нефти.сма-зочных насел и ароматических углеводородов оказывает разрушаю щее действие на углеводородные молекулы и меняет некоторые их физико-химические показатели и свойства.
Данных о воздействии ультразвуковых колебаний на эксплуатационные свойства дизельных топлив нет. Поэтому вопрос исследования возможности применения ультразвуковой обработки дизельных топлив с целью улучшения их эксплуатационных свойств является актуальным.1
Цель настоящего исследования является улучшение эксплуатационных свойств дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства.
В диссертационной работе рассмотрены вопросы,способствующие улучшению эксплуатационных свойств дизельных топлив. Разработана расчетная схема зоны кавитации и производительности гидродинамического излучателя ультразвука. Предложены математические зависимости для определения зоны кавитации/производительности гидродинамического излучателя и изменения показателей эксплуатационных свойств дизельных топлив, обработанных ультразвуком. Определены задачи и программа, общая и частные методики проведения исследований. Проведено планирование многофакторного эксперимента. Разработаны и изготовлены установки по обра » ботке дизельного топлива ультразвуком в лабораторных и производственных условиях. Скомплектовано оборудование по определению показателей эксплуатационных свойств топлив и стенд для исследования влияния топлива,обработанного ультразвуком, на параметры рабочего процесса дизеля. Разработаны номограммы определения затрат и оптимального времени на обработку топлива. Проведены лабораторные,стендовые и производственные исследования влияния ультразвуковой обработки на показатели эксплуатационных свойств топлив,рабочего процесса дизеля,работы тракторов в колхозах Псковской, Новгородской и Калининской областей.
Определен экономический эффект от применения ультразвуковой обработки дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства.
По результатам выполненных исследований Малоярославским филиалом ЦОКТБ ГОСНИТИ разработаны чертежи установок по ультразвуковой обработке дизельного топлива на нефтебазах колхозов и совхозов На защиту выносятся следующие результаты разработок и исследований:
- метод обработки дизельного тшлива ультразвуком улуч-шающий эксплуатационные свойства дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства;
- расчетная схема и уравнение для определения производительности гидродинамического излучателя ультразвука;
- уравнение для определения показателей эксплуатационных свойств дизельных топлив обработанных ультразвуком;
- результаты исследований улучшения показателей (плотности; фракционного состава; температур вспышки, помутнения, застывания;" коксуемости Южного остатка; коэффициента фильтруемости) эксплуатационных свойств дизельных топлив;
- результаты исследований параметров работы двигателя на дизельном топливе, обработанном ультразвуком; результаты сравнительных показателей работы тракторов в производственных условиях, полученных при их работе на топли-вах необработанных и обработанных ультразвуком;
- метод определения затрат и оптимального времени обработки дизельного топлива ультразвуком с помощью номограмм.
Эксплуатационные свойства дизельных топлив .
Топлива для автотракторных дизелей должны обладать определенными эксплуатационными свойствами,обеспечивающими надежную и долговечную работу современных и перспективных двигателей работающих в сельском хозяйстве в различных климатических условиях, высокие энергетические показатели и низкую токсичность отработавших газов. В работах /7,8,9,10,11/ сообщается,7 что к эксплуатационным свойствам дизельных то плив относятся: прока » чиваемость по трубопроводам и фильтрам; распиливание и смесеобразование; сгорание, обеспечивающие "мягкую" работу,отсутствие дымления и легкий пуск двигателя; нагарообразованне;кор-розийность; пожароопасность; фильтруемость. Эксплуатационные свойства дизельного топлива характеризуются такими физико-химическими показателями как плотность; фракционный состав; вязкость;1 содержание серы,минеральных и органических кислот; коксуемость Ю#-ного остатка; температура вспышки,помутнения и застывания; содержание воды и механических примесей; коэффициент фильтруености.
В связи с развитием и совершенствованием дизелейврастет потребность в дизельном топливе и повышаются требования к его эксплуатационным свойствам.
Дизельное топливо своей структурой должно способствовать такой организации процесса горения, которая позволит обеспечить высокие мощностные и экономические показатели при надежной работе и бездынном, нетоксичном выхлопе. Это означает, что Tonf-ливо дизелей должно отвечать ряду трудновыполнимых требований: - иметь хорошую воспламеняемость при высокой летучести, способность к быстрому и полному окислению при отсутствии склонности к коксованию и осмоленино /16/,
Проведенные многими исследователями работы показывают, что имеется настоятельная необходимость и в дальнейшем работать над поиском новых способов улучшения эксплуатационных свойств дизельных топлив
Исследования влияния эксплуатационных свойств дизельных, топлив на работу дизеля /12 ,"13,14,15,16, Г7/ показалиj что каждое из эксплуатационных свойств должно находиться в определенных пределах своих числовых значений,при которых рабочий процесс дизеля может иметь наилучшие эксплуатационные показатели, В работах /18,19,20/ подробно рассмотрены вопросы изменения эксплуатационных свойств дизельных топлив при транспортировке, хранении, выдаче,влияние их на смесеобразование,сгорание и тепловыделение Рассмотрим раздельно влияние эксплуатационных свойств дизельных топлив на работу дизеля.
Прокачиваемость. Для нормальной работы двигателя топливо должно хорошо прокачиваться по трубопроводам и фильтрам, обеспечивая бесперебойную подачу топлива насосом высокого напора; Увеличение плотности,вязкоети, температуры помутнения и застывания, содержания механических примесей и воды, утяжеления фракционного состава приводит к снижению прокачиваемости или к прекращению полной подачи топлива насосом высокого напорам
Распиливание и смесеобразование! Качество распиливания топлива и приготовление горючей смеси в основном зависит от плотности,;фракционного состава/ вязкости,температуры помутнения и застывания? Увеличение плотности,вязкости,температуры помутнения и застывания» утяжеления фракционного состава приводит при распиливании к образованно крупных капель,плохо испаряющихся при температуре воздуха в цилиндре двигателя и короткой зоне факела распиливания топлива. Такое условие распиливания ухудшает смесеобразование топлива с воздухом. Образуются отдельние зоны, имеющие избыток или недостаток топлива При воспламенении неоднородной смеси происходит неполнота сгорания топлива,снижается мощность двигателя,увеличивается расход топлива Полное и бездымное сгорание. Качество сгорания топлива зависит от химического и фракционного состава Особое значение на рабочий процесс дизеля имеет период задержки воспламенения топлива Продолжительность периода задержки воспламенения оказывает большое влияние на процесс сгорания в целом и зависит от химических,физических и конструктивных факторов; К химическим факторам/определяющим период задержки воспламенения относятся: химический и фракционный состав,концентрация кислорода,1 количество остаточных газов.наличие катализаторов и присадок /18,519/. Топлива с большим содержанием парафиновых углеводородов имеют наименьшие, а топлива с большим содержанием ароматических углеводородов - наибольшие периоды задержки воспламенения Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное место между этими группами углеводородов Химический состав топлива влияет на индикаторные показатели работы двигателя, главным образом через период задержки воспламенения /14,17/. Этот период можно уменьшить, добавляя к топливу в небольших количествах специальные присадки. В качестве присадок применяют нитраты» нитриты и различного рода перекиси. С возрастанием концентрации кислорода в камере сгорания период задержки воспламенения сокращается.
Теоретические предпосылки исследования
В работах советских /53,54/ и зарубежных /55/ ученых объясняется работа гидродинамического излучателя ультразвука и сообщается / 56 / о кавитационных явлениях при работе акустического гидродинамического излучателя ( рис. 2.1).
Для активного наблюдения кавитационных явлений были использованы сверхскоростная кинокамера типа CKC-I с частотой съемки до 4000 кадр/с и скоростной фоторегистратор типа С$Р, работающий в режиме лупы с частотой съемки до 25000 кадр/с.
Анализ результатов ускоренной киносъемки и эрозийного действия показал, что возникающая при работе гидродинамического излучателя С рис.2.I.) кавитация носит гидродинамический характер. На развитие кавитации, образующейся при работе излучателя, влияют акустические колебания в жидкости, источником которых является резонансный колебательный элемент - пластина/ излучателя. Кавитационная область в зоне срывного течения за пластиной (назовем ее областью срывной кавитации) имеет вид удлинеш-. ного облака, предоставляющего собой скопление кавитационных пузырьков.
Оно возникает при пересечении пластиной струи и растет с увеличением отклонения пластины (рис. 2.2.). Частота образова-ния и срыва кавитациоиного облака равна удвоенной частоте колебаний пластины.
После срыва с конца пластины облако, все увеличиваясь в... размерах, перемещается вдоль.пластины, а затем начинает сокращаться в размерах и исчезает.
Вторым участком потока, где возникают местные понижения давления вызывающие образование кавитации, является вихревой слой между зоной струи и областью спокойного течения жидкости. Возникающая в этом случае кавитация (щелевая кавитация),- отличается от кавитации,образуемой в области срывного течения за пластиной (срывной кавитацией) Зону щелевой кавитации обозначим буквой А, а зону срывной кавитации - буквой Б ( рис.2.2.)«
Образующаяся в вихревом слое щелевая кавитация имеет вид вытянутого вдоль границы струи облака. Кавитационное облако всегда локализовано на границе зоны струи и неподвижной жидкости. У него нет явно выраженной фазы роста и захлопывания щелевой кавитации и в каждый данный момент существует только по одну сторону пластины. Это объясняется тем, что в данный момент за другой стороной пластины существует облако срывной кавитации, которое стесняет щелевой поток так,1 что основная масса жидкости направляется на другую сторону, где и развивается щелевая кавитация. В последующем, когда напряжения в пластине возрастут больше действия оил истекающей струи жидкости, пластина будет перемещаться в противоположном направлении,облако срывной кавитации срывается с лезвия пластины, а на другой стороне начинает расти подобное же облако срывной кавитации, щелевой поток, в основном,направлен на сторону, где в этот момент и образуется щелевая кавитация (рис.2.2.).
Возникновение и развитие кавитации исследовалось также и по ее эрозийному эффекту, в известной мере однозначно харак теризующему кавитацию. Целью этого этапа работы было подтверждение кавитационного характера наблюдаемых облаков уточнение типа кавитации и установление влияния акустических колебаний на развитие кавитации,возникающей при работе излучателя.
Для оценки эрозийного действия кавитации использовались образцы из свинца и алюминия,устанавливаемые по отношению к пластине излучателя таким образом, чтобы оценить эрозийное действие кавитации в двух перпендикулярных плоскостях. Известно, что эрозийное действие кавитации наблюдается при захлопывании кавитационных полостей. Задача состояла в нахождении места захлопывания полостей и формы очага эрозии.
Все опыты проводились в воде при температуре 20С. Очаги эрозии представляют собой лунки диаметром от 5 до 15 мм, покрытые кратерообразными впадинами диаметром от 0,3 до 1,5мм, при экспонировании в течение 5-Ю мин. Выдавленный из кратера металл располагается вокруг в виде наплывов высотой до 2,5 мм. Наплывы образованы нагромождением отдельных слоев металла, имеют рваные края. Таким образом,в целом характер разрушения образцов говорит о повреждениях,свойственных гидродинамической кавитации »
При увеличении скорости щелевого потока центр очага эрозии перемещается от щели вдоль пластины к месту закрепления пластины.
В опытах скорость эрозии свинцовых образцов определялась при скорости струи 35 м/с, расстоянии пластины от сопла 1,0 мм и частоте 400 Гц. Для наших условий работы принят гидродинамический излучатель пластинчатого типа.
Выбор излучателя ультразвука
Для получения ультразвуковых колебаний существуют электрические, электромагнитные, магнитострикционные,гидродинамические преобразователи и генераторы.
Работа электрических,электромагнитных и магнитострикцион-ных преобразователей и генераторов связана с наличием сложной, дорогостоящей аппаратурой,требующей специально подготовленных помещений,высококвалифицированных рабочих и строгого выполнения правил охраны труда.
В качестве источника ультразвуковых колебаний нами взяты гидродинамические излучатели, исходя из следующих соображений:
1 Гидродинамические излучатели просты по устройству и дешевы"в изготовлении»
2 С помощью гидродинамических излучателей за сравнительно короткий срок можно обработать большое количество топлива, чего нельзя сделать при использовании ультразвуковых генераторов других конструкций.
3. Лабораторная установка с использованием гидродинамических излучателей не требует специального помещения, где бы отсутствовала запыленность, была бы постоянная влажность и температура воздуха, что является необходимым условием работы генераторов других конструкций.
4. Для работы на установке с использованием ультразвуковых гидродинамических излучателей не требуется специально подготовленного рабочего, тогда как для работы на ультразвуковых генераторах (УЗГ) и ваннах (УЗВ) необходим специальный допуск. 5. Как правило,ультразвуковые генераторы и ванны громоздки, дефицитны и дороги. 6. Размеры УГЙ (что важно в нашей работе) позволяют использовать его непосредственно на заправочных установках. 7. Техника безопасности при работе с УГЙ проста,тогда как при работе на УЗГ других конструкций требуется строгое соблюдение определенных мер предосторожности.
Нами расчитаны и изготовлены излучатели (рис.3.1) с различными параметрами: щель сопла 20x0,25 мм, пластины с разной толщиной и длиной консоли / 53 /, что позволило в определенном диапазоне (0,5...30 кГц) изменять частоту ультразвуковых колебаний. Изменение частоты колебаний осуществляется путем изменения напора жидкости от 0,5 до 1,5 МПа в питающей магистрали.
Сравнительные испытания излучателей с различными параметрами проводились на экспериментальной установке при температуре топлива 20-25С с регистрацией частоты ультразвука частотомером 43-7.
Частота ультразвуковых колебаний в зависимости от напора жидкости и конструктивных размеров излучателей показаны в таблице 3.1. В качестве приемника акустических колебаний принимаем пьезоэлектрический приемник ПЛЕЛ с пластинчатым пьезо-элементом из титаната бария / 61 /. Пластина имеет диаметр 5 мм, толщину - I мм.
Для ультразвуковой обработки дизельного топлива в лабораторных условиях,совместно с сотрудниками лаборатории й 17 ГОСШШ разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис^3#2)# В качестве источника ультразвуковых колебаний использованы гидродинамические излучатели (УТИ) с пластинчатым колебательным устройством.
Основной частью установки является гидродинамический излучатель 9, установленный в ванне» Обработка топлива осуществляется посредством спектра упругих колебаний, создаваемых ультразвуковым излучателем.
Для подачи топлива к излучателю использован насос (НШ-32) НШ-46. Привод насоса осуществляется от электродвигателя мощностью 4,5 кВт, с частотой вращения ротора 1^30 оборотов в минуту, что обеспечивает нормальную работу насоса.
Для изменения напора в питающей магистрали установлены краны регулировки 5 и б, что соответственно изменяет частоту ультразвуковых волн.
Для регистрации и контроля параметров установлены рабочий и контрольный манометры I и 2, термометр 7,частотомер 3. Съем -частоты осуществляется пьезоэлектрическим датчиком ЛЗ, располагаемым в спектре распространения волн.
Для безопасности ванна 50 л., где находится гидродинамический излучатель, содержащая ультразвуковое поле, с наружной стороны оклеена слоем губчатой резины толщиной 5 мм и защищена металлическим кожухом из листового железа, а сверху закрыта специальной крышкой и заземлена.
Влияние ультразвуковой обработки на . плотность дизельного топлива
Для нахождения оптимального режима обработки дизельного топлива ультразвуком и получения математической модели зависимости плотности от параметров обработки использовали экстремальное многофакторное планирование эксперимента.
За количественный критерий оптимизации принята плотность (У ) дизельного топлиєа, характеризующая цикловую подачу топлива в цилиндры двигателя, качество распыла и испаряемость дизельного топлива.
За независимые переменные - факторы эксперимента - приняты параметры режима обработки: Хт s Hz - частота ультразвука в кГц; Xg =1. og - время обработки в часах. Уровни и интервалы варьирования факторов были выбраны с учетом возможного их применения в соответствии с табл. 3.4. Для получения уравнения регрессии реализован полный двух-факторный эксперимент на 2-х уровнях с числом опытов - 4. Матрица планирования и средние значения критерия оптимизации, определенные по трем параллельным опытам, сведены в табл. 4.1.
По результатам опытов были вычислены коэффициенты уравнения регрессии, дисперсии и доверительные интервалы коэффициентов уравнения регрессии в соответствии с методикой /4, 5, 64/. На основании расчетов было получено уравнение регрессии изменения плотности при обработке дизельного
Для % уровня значимости и числа степеней свободы jI / 4 /, критерий Стыодента, і = 12,5 Корхерна, 6 кр.= 0,9985; критерий іишера, F Kp.s 9,3, Все коэффициенты в урав-нении 4Д значимы. С учетом значимых коэффициентов уравнение примет вид Tj » 825,65 - 11,88 - 6,55Х2 I,56XjX2 ( 4;2 j
Регрессионным анализом определены дисперсии: опыта Sj 5 ДГ" ; адекватности Saa - Х Ю ; коэффициентов уравнения 2#ГО ; при определении коэффициентов уравнения регрессии S « 2»ДГ3.
Анализ уравнения 4.2 показывает, что решающее значение на изменение плотности дизельного топлива при обработке ультразвуком оказывает частота ультразвуковых колебаний. С увеличением частоты ультразвуковых колебаний можно уменьшить время обработки и получить то же изменение плотности. Зависимость плотности от изменения частоты ультразвуковых колебаний и времени обработки изображена на рис. 4.1.
Как показывают графики, с увеличением частоты ультразвуковых колебаний плотность дизельного топлива уменьшается значительно больше, чем при изменении времени обработки. С увеличением времени обработки дизельного топлива с пяти до шести часов изменение плотности незначительно.
Проверка адекватности уравнения ( 4.2 ) по критерию Фишера дала значение F кр.= 2,36 при табличном FTCU3 9,3, что указывает на адекватность уравнения.
Для выяснения, как происходит изменение плотности дизельного топлива, обработанного ультразвуком, были проведены исследования двухфакторного эксперимента на других уровнях времени обработки.
Графики^ построенные по полученным экспериментальным данным, показаны на рис; 4.1, наглядно отображают изменение плотности дизельного топлива, обработанного ультразвуком.
Полученные экспериментальные данные по изменению плотнос-ти дизельного топлива, обработанного ультразвуком, дают возможность определять изменение ее в зависимости от принятых частоты ультразвука и времени обработки по уравнению 2.56, которое имеет вид По результатам экспериментальных данных определены коэффициенты fca = 0,5280 и 6з = 0,0018.
Таким образом, при воздействии ультразвуковых колебаний и образовавшейся зоны кавитации колебающейся пластинкой гидродинамического излучателя, происходит распад углеводородных молекул*- в связи с чем изменяется плотность дизельного топлива. Данные исследований изменения плотности дизельного топлива,обработанного ультразвуком,находятся в приложениях
