Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы повышения экономичности и улучшения экологичности существующих дизелей 14
1.1. Аналитический обзор основных «внешних» методов совершенствования рабочего процесса дизелей 14
1.2. Анализ схем устройств и сравнительная характеристика судовых систем подготовки топлива 26
1.3. Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Разработка метода комплексной обработки топлива в аппарате вихревого слоя в присутствии озонированного католита 41
2.1. Влияние содержания серы и смолистых веществ в топливе на износ деталей двигателей 41
2.2. Обоснование эффективности применения водотопливной эмульсии 43
2.3. Разработка математического описания работы аппарата вихревого слоя 49
2.4. Выводы по главе 64
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса обработки топлива на испытательном стенде 65
3.1. Разработка испытательного стенда 65
3.2. Описание работы стенда и методики для проведения исследований 69
3.3. Обоснование выбора материалов ферромагнитных частиц и рабочей камеры 72
3.4. Исследование влияния вязкости обрабатываемого топлива на зависимость критического коэффициента заполнения рабочей камеры от размеров ферромагнитных частиц 81
3.5. Исследование влияния коэффициента заполнения рабочей камеры ферромагнитными частицами на эффективность работы аппарата вихревого слоя 84
3.6. Математическое моделирование системы приготовления водотопливной эмульсии для среднеоборотных двигателей и котлоагрегатов 89
3.7. Выводы по главе 93
Глава 4. Разработка методики проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии 95
4.1. Создание новой принципиальной схемы системы приготовления водотопливной эмульсии 95
4.2. Разработка блок-схемы проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии 98
4.3. Внедрение методики проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии 101
4.4. Социально-экологический и экономический эффекты от внедрения системы приготовления водотопливной эмульсии 102
4.5. Выводы по главе 105
Заключение 106
Список библиографических источников 107
Приложения 118
- Анализ схем устройств и сравнительная характеристика судовых систем подготовки топлива
- Разработка математического описания работы аппарата вихревого слоя
- Обоснование выбора материалов ферромагнитных частиц и рабочей камеры
- Разработка блок-схемы проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии
Введение к работе
Актуальность работы. Современные судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – это прежде всего поршневые двигатели, которые на сегодняшний день занимают лидирующие позиции во всех областях энергетики и транспорта. Значительная часть железнодорожного, морского и речного транспорта и практически весь автомобильный транспорт приводится в действие поршневыми ДВС с воспламенением от сжатия или с принудительным воспламенением от искры.
ДВС являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. Загрязнение атмосферного воздуха в результате работы ДВС обусловлено преимущественно тремя источниками: системой выпуска отработавших газов (ОГ), системой смазывания и вентиляции картера и системой питания. На долю ОГ приходится наибольшая часть вредных веществ (70 … 80)%, выделяемых в процессе работы двигателя. Камера сгорания двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий вредные вещества, которые затем поступают в атмосферу. Даже нейтральный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания двигателя, превращается в токсичные окислы. Кроме того, в ОГ содержится более 200 различных химических соединений, из них около 150 – производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива. В настоящее время в РФ действуют законодательные документы: ГОСТ Р 51249-99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», ГОСТ Р 51250-99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения», область действия которых распространяется на судовые, тепловозные и промышленные ДВС. Данные нормативные документы устанавливают нормы выбросов токсичных и отравляющих веществ, входящих в состав ОГ, при проведении стендовых испытаний новых и отремонтированных дизелей, а также двигателей, находящихся в эксплуатации, при проведении испытаний силовых установок.
Ужесточение требований и норм отечественных и зарубежных стандартов на выбросы вредных веществ с ОГ судовых двигателей совместно с проблемой истощения мировых топливных ресурсов только увеличивают значимость и актуальность вопросов, связанных с совершенствованием процессов сгорания углеводородных топлив. Это обстоятельство явилось поводом для поиска принципиально новых подходов к проблеме улучшения процесса сгорания в поршневых двигателях.
Проблемам сгорания топлива посвящены научные труды ученых: Агаева Ф.М., Воржева Ю.И., Иванова В.М., Ищука Ю.Г., Кондратьева Е.А., Курникова А.С., Лебедева О.Н., Лермана Е.У., Сомова В.А., Сисина В.Д., Семенова Н.Н., Чудакова Е.А., Томсона Р.В., Спринглера Г., Лоусона А., Адкинса П. и т.д. Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментов, в работах отсутствует информация об использовании комплексной технологии подготовки топлива к сжиганию с применением озона, водотопливной эмульсии (ВТЭ) с одновременным повышением качества топлива путем его очистки от серы и тяжелых соединений углеводородов в присутствии воды. Поэтому создание эффективной как в энергетическом, так и в экологическом аспектах системы подготовки топлива до сих пор является актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка системы приготовления ВТЭ с использованием аппарата вихревого слоя (АВС) для судовых среднеоборотных двигателей (СОД) и котлоагрегатов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе анализа существующих методов улучшения процесса сгорания углеводородных топлив предложить современный комплекс узлов и устройств, интенсифицирующий горение топлива в судовых дизелях и котлоагрегатах.
-
Составить математическое описание работы АВС с учетом использования в судовых топливных системах.
-
Выполнить экспериментальные исследования по определению неизвестных параметров, влияющих на работу АВС при обработке ВТЭ.
-
Получить математическую модель системы приготовления ВТЭ.
-
Разработать блок-схему и методику проектирования системы приготовления ВТЭ с использованием АВС.
Объектом исследования является система приготовления ВТЭ, имеющая в своем составе АВС и систему обработки воды.
Предметом исследования выступили процессы, протекающие в АВС при комплексной обработке ВТЭ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлено, что наиболее современным аппаратом для модификации углеводородных топлив является АВС.
-
Впервые оптимизированы параметры загрузки АВС для обработки ВТЭ.
-
Получено математическое описание работы АВС.
-
Создана математическая модель системы приготовления ВТЭ, имеющей в своем составе АВС и систему обработки воды.
Практическая ценность работы заключается в создании новой системы для производства ВТЭ, а также в разработке методики проектирования данной системы.
Применение результатов работы позволяет:
1. Производить ВТЭ высокого качества на судах и береговых предприятиях речного транспорта, в том числе централизованно на бункеровочных станциях перед передачей потребителям.
2. Определить оптимальные параметры рабочего процесса АВС и системы приготовления ВТЭ в целом.
3. Повысить качество ВТЭ благодаря использованию АВС для ее реструктуризации.
4. Снизить эксплуатационные расходы за счет уменьшения расхода топлива и использования более дешевых сортов топлив.
5. Разработать методику проектирования системы приготовления ВТЭ, позволяющую принимать обоснованные технологические и конструкторские решения.
6. Рассчитать геометрические и режимные параметры основных элементов системы приготовления ВТЭ.
Реализация результатов работы выражается в следующем:
1. Патент РФ на полезную модель № 92622 «Установка подготовки топлива для дизелей».
2. Патент РФ на полезную модель № 93390 «Установка очистки воды».
3. Методика проектирования системы приготовления ВТЭ.
4. Внедрение системы приготовления ВТЭ на теплоходе «Самсон» предприятия ООО «Нижегородинвестсервис».
Достоверность полученных результатов обоснована теоретическими исследованиями на основе зависимостей гидро- и газодинамики. Экспериментальные исследования проводились с использованием известных (стандартных) методик и приборов для определения контролируемых показателей и характеристик. Обработка результатов производилась с помощью метода корреляционно-регрессионного анализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: IX и X Всероссийские выставки научно-технического творчества молодежи (Москва, 2009 и 2010); XI, XII и XIII Международные научно-практические форумы «Великие реки» (Н. Новгород, 2009, 2010 и 2011); III и IV конкурсы молодежных инновационных команд РОСТ-2009 «Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии» (Н. Новгород 2009 и 2010); конкурс на право проведения НИОКР “У.М.Н.И.К.” (Москва, 2009); конкурс на право проведения НИОКР “У.М.Н.И.К.-НН” (Н. Новгород, 2010 и 2011); XV и XVI международные промышленно-экономические форумы «Россия Единая» (Н. Новгород 2010 и 2011); Международная межрегиональная научно-практическая конференция «Экология и жизнь» (Пенза 2010).
Автор награжден различными дипломами, сертификатами и государственными наградами. В их числе: финансирование проекта в рамках федеральной программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.-2010 и У.М.Н.И.К.-2011); золотая медаль выставки НТТМ-2010 «Лауреат ВВЦ»; стипендия имени академика Г.А. Разуваева.
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 11 работ, в том числе 2 патента РФ на полезную модель и 1 публикация в изданиях, реферируемых ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 106 страницах машинописного текста и включает 29 рисунков и 10 таблиц. Список литературы состоит из 121 наименования.
Анализ схем устройств и сравнительная характеристика судовых систем подготовки топлива
Из всего разнообразия методов совершенствования рабочего процесса дизеля на судах в настоящее время широко используются системы ВТЭ, которые могут отличаться одна от другой технологической схемой, числом и порядком расстановки отдельных элементов системы, значениями производительности, концентрацией и способом предварительной обработки воды, степенью дисперсности, а также типом смесителя и т. п.
Процессы, происходящие в цилиндре дизеля при работе на ВТЭ, до конца не изучены. На этот счет существует несколько рабочих гипотез.
Гипотеза микровзрыва была предложена В.М. Ивановым [47], развита О.Н. Лебедевым, В.Н. Марченко [63] и др. Суть происходящего заключается в том, что при нагреве капли топлива с вкраплением воды из-за их различной теплоемкости вода прогревается быстрее и вскипает, образовавшиеся пары разрывают каплю топлива и происходит микровзрыв. Подобный механизм испарения топлива в струе или факеле увеличивает дисперсность1 струи за счет дополнительного дробления капель топлива. Прогрев капель обводненного топлива в камере сгорания дизеля происходит при давлении (4...7) МПа. Такое давление является закритическим для дизельных топлив. Критическое давление кипения жидких углеводородов составляет (1,5...2,5) МПа, значит, капля топлива будет прогреваться до критической температуры без испарения, после чего она мгновенно распадается [50]. В отличие от топлива вода имеет критическое давление 8 МПа, поэтому в условиях камеры сгорания она будет испаряться монотонно по мере прогрева. Следовательно, внутри капли топлива при испарении воды давление будет расти до значения, превышающего силы поверхностного натяжения, после чего капля топлива разрывается.
Гипотеза каталитического влияния воды на механизм воспламенения и горения топлив разработана рядом авторов. По этой гипотезе повышенное содержание паров воды в горючей смеси и в продуктах сгорания положительно влияет на процесс и скорость распространения пламени в цилиндре дизеля [56, 100]. В обезвоженной смеси выгорание окиси углерода практически не происходит, но при повышении влажности в 1% происходит почти полное ее сжигание. В пламени при высокой температуре вода действует как катализатор и частично разлагается на водород, кислород и гидроксильную группу. Механизм каталитического действия воды можно представить в следующем виде. Молекулы воды и кислорода имеют приблизительно одинаковую резонансную частоту колебания, т.е. энергия, передаваемая одной молекулой, будет легко восприниматься другой. Кроме того, молекула воды полярна, а это значит, что присутствие воды будет дополнительно поляризовать среду, где происходит горение [100].
На скорость протекания реакции окисления существенноеі влияние оказывает ориентация активных частиц при их столкновении. Если две разорванные молекулы столкнуться стороной с занятыми валентными связями, то объединения таких частиц не произойдет, после столкновения они разделятся. Если же они столкнуться стороной с открытыми связями, то произойдет объединение. Предположим, что в пламени все частицы (активные радикалы) ориентированы хаотично. Очевидно, роль воды в пламени заключается в том, что полярная молекула Н20 способствует улучшению ориентации разорванных или возбужденных молекул углеводородов. Это существенно ускоряет процесс окисления. Экспериментально установлено, что присутствие водяных паров ускоряет процесс горения от (3...4) раз [28, 100] до (5...6) раз [51].
Кроме каталитического действия вода оказывает влияние на дожигание топлива в последнем периоде сгорания, т.е. на стадии расширения. В период интенсивного горения отдельные микрозоны разогреты до температур (3000...4000) С. В них происходит диссоциация воды и окисление азота. Факт такого окисления подтверждается тем, что в ОГ всегда присутствуют окислы азота, кроме этого диссоциация воды доказана экспериментально [117]. В цилиндр двигателя вместе с рабочим телом вводилась тяжелая вода Н2О18. При анализе ОГ наблюдалось выделение до 45% изотопа кислорода в соединении с углеродом в виде СОгш происходившего из-за диссоциации воды и ее вступления в реакцию с углеводородами. Следовательно, в первый период горения, когда температура пламени высокая, часть воды диссоциирует. Во второй период горения повышенная концентрация активных радикалов способствует доокислению осколков молекул і углеводородов [46].
Использование гомогенизированной ВТЭ в котлоагрегатах, также как и в ДВС, позволяет повысить степень сгорания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOx и СОх в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта заключается в следующем. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой, при этом дисперсность мазута составляет порядка (0,1... 1) мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит их вскипание с образованием водяного пара. В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива [47].
В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке. Кроме этого, существенно снижается недожог топлива, что позволяет снизить количество подаваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери [85]. Также важно заметить, что при сжигании ВТЭ в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к снижению вредных составляющих в ОГ котлоагрегатов. Оптимальное содержание воды в ВТЭ для питания котлов, при котором достигается наибольший экономический эффект и одновременное снижение токсичных составляющих в ОГ, достигает (35...40)% [47].
Возможность снижения количества подаваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важно, поскольку коэффициент полезного действия (КПД), -котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива. Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтеновые структуры [85]. Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на (30...35) С. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива.
Находящаяся в составе топлива водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и существенно улучшают ориентацию частиц активных радикалов топлива, вследствие возникновения полярного эффекта [51,47].
Разработка математического описания работы аппарата вихревого слоя
К одному из них относится акустическая обработка ВТЭ в ABC. Совершая механические, а также магнитострикционные колебания, каждая ферромагнитная частица является источником акустических волн в среде, в которой образован вихревой слой. Спектр частот звуковых волн в любой точке вихревого слоя непрерывный и находится в пределах от десятков герц до нескольких мегагерц.
Исследованиями [72] установлено, что даже на сравнительно большом расстоянии от вихревого слоя величина звукового давления в воде достаточно большая (до 98 кПа).
Поскольку величина акустического давления пропорциональна виброускорению на деталях ABC [13, 16, 17, 26, 53, 75, 92], тогда определение максимума давления и частоты акустических колебаний сводится к нахождению максимума частоты и амплитуды виброускорения, которые требуют проведения отдельных экспериментальных исследований.
В результате действия акустических волн на поверхности частиц твердой фазы, в том числе ферромагнитных частиц в реакционной камере, имеет место кавитация. С кавитацией связано появление в обрабатываемой ВТЭ ударных волн, вызванных схлопыванием кавитационных полостей в фазе сжатия акустической волны. Вблизи схлопывающегося пузырька во ВТЭ могут возникать давления в несколько тысяч МПа и температура до 1-Ю4 К [120, 72, 36].
Очевидно, что акустические волны и вызванные ими давление и кавитация оказывают сильное влияние на скорость протекания химических и физических процессов, происходящих в рабочей камере. Другим процессом является магнитная обработка ВТЭ в ABC. Вокруг ферромагнитной частицы в вихревом слое возникают локальные электромагнитные поля, которые в основном определяют структуру магнитного поля в рабочей камере. Величина амплитуды и частота этих полей зависят от многих факторов: геометрии, материала, скорости, количества и характера движения ферромагнитных частиц. Если рассматривать магнитное поле в любой точке рабочего объема при работающем вихревом слое, то локальные магнитные поля в ней, созданные воздействием поля ферромагнитных частиц, носят импульсный характер [71, 73]. Как видно из рис. 2.5 - 2.6, в вихревом слое присутствует широкий и непрерывный спектр частот, отличающийся по интенсивности. Зависимость амплитуды наведенной ЭДС от величины загрузки ферромагнитными частицами и их длины /, мм (d = 1 мм) Анализ графиков (рис. 2.5, 2.6) показал, что для конкретной производительности ABC: 1. Существует оптимальная масса ферромагнитных частиц, при которой ЭДС, наведенная магнитным полем ферромагнитных частиц, имеет максимальное значение. Кроме этого, с уменьшением частоты изменения магнитного поля наблюдается увеличение наведенной ЭДС. 2. Имеется оптимальная длина ферромагнитных частиц / для определенного диаметра d, то есть имеется оптимальное отношение l/d. Поскольку электромагнитные поля могут оказывать существенное влияние на различные физические и химические процессы в вихревом слое, то вполне вероятно следует ожидать высокую степень реструктуризации обрабатываемого топлива. Таким образом, для эффективной реструктуризации ВТЭ в рабочей камере ABC необходимо определить оптимальное количество ферромагнитных частиц и оптимальное соотношение l/d. Третьим важным процессом в ABC является электролиз топлива. Известно [82], что при трении различных тел друг с другом на их поверхности возникают электрические заряды. Это обстоятельство в значительной мере проявляется в вихревом слое. Особенность в данном случае состоит в том, что ферромагнитные частицы здесь находятся изолированно друг от друга и контактируют только во время соударений. Установлено, что изолированные металлы электризуются при трении, причем знак заряда зависит от природы трущихся тел. В ABC в процессе трения участвуют ферромагнитные частицы, материал реакционной камеры, обрабатываемая ВТЭ. В зависимости от условий работы ABC ферромагнитные электропроводные частицы приобретают тот или иной заряд, знак которого определить невозможно. Однако было установлено [82], что при трении двух химически одинаковых тел более плотные участки тела приобретают положительные заряды. Величина заряда зависит от плотности контакта и скорости перемещения тел друг относительно друга. При соударении ферромагнитные частицы в вихревом слое подвергаются все время деформациям: изгибу, сжатию, растяжению и трению друг с другом и об обрабатываемую ВТЭ, которая в условиях вихревого слоя может состоять из жидкости, газа и твердой фазы. Таким образом, создаются все условия для возникновения разности потенциалов между отдельными точками поверхности одной и той же частицы и между соседними частицами, если они состоят из разных материалов. Если разность потенциалов достаточно большая, а металлические частицы находятся в жидкой среде, то возникает процесс электролиза. В соответствии с теорией электролиза на катоде в первую очередь выделяются ионы с самым низким потенциалом, а на аноде — с самым высоким потенциалом. Поэтому при электролизе ВТЭ на катоде выделяется водород, а на аноде кислород [82].
Именно процессами электролиза на ферромагнитных частицах объясняются многие, казалось бы, аномальные явления в вихревом слое , (уменьшение расхода реагентов на (20...30) % против стехиометрического [70], возможность разложения воды и органических соединений [78], значительное ускорение окислительно-восстановительных реакций [69] и др.). Таким образом, в результате действия трех основных процессов, происходящих в ABC, в значительной степени снизится содержание в топливе серы и смолистых веществ.
Обоснование выбора материалов ферромагнитных частиц и рабочей камеры
Материалы ферромагнитных частиц и рабочей камеры ABC, как указывалось во второй главе, в первую очередь должны соответствовать основным условиям, обеспечивающими работу аппарата: материал ферромагнитных частиц должен быть магнитным, а материал стенок рабочей камеры, напротив, должен быть немагнитным. Материалы должны удовлетворять ранее сформулированным требованиям: не подвергаться действию механического, эрозионного и коррозионного изнашивания, то есть иметь необходимый запас прочности, обладать стойкостью к усталостному разрушению. Кроме этого, должны учитываться такие факторы как недефицитность и низкая стоимость.
Материал ферромагнитных частиц. В литературных источниках [77, 91] общепринято выделять две основные группы магнитных материалов -магнитомягкие и магнитотвердые. Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения даже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание. Магнитотвердые материалы обладают большой удельной энергией. Эта энергия тем больше, чем больше остаточная индукция Лост и коэрцитивная сила Нс материала.
Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ доменов и их вращения различны. Процессы смещения границ доменов требуют меньших затрат энергии, чем процессы вращения. В магнитомягких материалах намагничивание происходит, в основном, за счет смещения границ доменов, а в магнитотвердых - за счет вращения вектора намагниченности [91]. Анализ характеристик магнитных материалов показал, что магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые - широкую петлю с большой коэрцитивной силой.
Особенности работы ABC (постоянное перемагничивание ферромагнитных частиц вследствие действия переменного магнитного поля) обусловили выбор материала из группы магнитомягких материалов.
Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь марок: АРМКО, Э, ЭА, ЭАА) - это сплав железа, содержащий ограниченное количество примесей. К его преимуществам можно отнести низкую стоимость, технологичность (легко обрабатывается), обладает высокими магнитными свойствами в постоянных электромагнитных полях. Основной недостаток данного материала состоит в малом значении удельного электрического сопротивления, что ограничивает область применения в переменных магнитных полях, а следовательно, и в качестве материала ферромагнитных частиц для ABC.
Электротехнические (кремнистые) стали (марки: 1211, 1311, 2012, 2412, 3411) представляют собой твердый раствор кремния в железе. К преимуществам электротехнических сталей относят большие значения удельного электрического сопротивления и высокие магнитные свойства. Недостатками же этих сталей являются повышенная твердость и хрупкость, а также пониженные по сравнению с технически чистым железом значения индукции насыщения. Электротехнические стали часто применяются для изготовления устройств, рассчитанных на работу при частоте магнитного поля до (400... 500) Гц, однако применение их для изготовления ферромагнитных частиц не целесообразно из-за повышенной хрупкости, так как разрушение частиц вследствие соударений будет проходить более интенсивно.
Пермаллои - это сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом (марки: 50НП, 50ХНС, 68НМП, 76НХД), обычно легированные молибденом, хромом и некоторыми другими элементами. Основное преимущество пермаллоев - очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатком пермаллоев является большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, данное обстоятельство также ограничивает применение пермаллоев в ABC.
Магнитомягкие ферриты (марки: 100НН, 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН - никель-цинковые, 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ -марганец-цинковые) представляют собой твердый раствор определенных оксидов металлов, например, высокопроницаемые ферриты - это смесь сильно и слабомагнитных ферритов. Удельное сопротивление ферритов в (10 ...10 ) раз больше удельного сопротивления металлических материалов, а потери на вихревые токи соответственно меньше. К недостаткам ферритов следует отнести низкие значения индукции насыщения, сравнительно малые значения магнитной проницаемости, большую зависимость магнитных свойств от температуры, значительные хрупкость и твердость. В виду указанных недостатков применение магнитомягких ферритов для, изготовления ферромагнитных частиц не представляется возможным.
Аморфные материалы - новая группа магнитомягких материалов со своеобразной атомной структурой (марки: 45НПР-А, 44НМР-А), отличающейся от структуры кристаллических материалов. Они представляют собой неупорядоченные магнетики, в которых отсутствует периодичность В і расположении атомов, то есть кристаллоподобное состояние существует лишь на расстояниях, соизмеримых с межатомными. Уровень электромагнитных свойств аморфных материалов превышает уровень у электротехнических сталей и соответствует уровню электромагнитных свойств пермаллоев, но они меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокими прочностью и твердостью при сохранении пластичности [91]. По механическим и магнитным характеристикам аморфные материалы почти полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемые к материалам ферромагнитных частиц, однако их применение в составе ABC сдерживается из-за высокой стоимости и дефицитности.
Перечисленные классические магнитные материалы имеют один общий недостаток, кроме пермаллоев - низкая коррозионная стойкость. Как было отмечено ранее, в процессе обработки ВТЭ в рабочей камере ABC неизбежно образуются побочные продукты реструктуризации, (в частности, неусвоенная топливом вода, в состав которой входит серная кислота, концентрация которой зависит от содержания серы в обрабатываемом топливе). Поэтому детали ABC, имеющие непосредственный контакт с агрессивными составляющими, должны быть выполнены из коррозионно стойких материалов.
Разработка блок-схемы проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии
Разработанные в третьей главе технологические схемы систем испытательного стенда позволяют решать важные практические задачи как в области проектирования новых, так и при рассмотрении вопросов модернизации эксплуатирующихся топливных систем судов.
На основании предложенных технологических процессов и с учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана новая принципиальная схема СПВТЭ судовых топлив перед подачей их в дизель (рис. 4.1). Работа СПВТЭ аналогична работе испытательного стенда и осуществляется следующим образом. Исходное топливо из цистерны основного запаса 2 забирается топливным насосом первой ступени 1(1) и подается через расходомер 4(1) на эжектор 10(1), где происходит предварительное подмешивание специально приготовленной воды (озонированного католита) в количестве 10% по массе.
Вода проходит электрохимическую обработку в электролизере 8, в котором она разделяется на католит и анолит. Далее католит сливается в контактный бак 6, где он обрабатывается озоно-воздушной смесью, поступающей из озонатора 11 с помощью компрессора 12. Анолит не участвует в технологическом процессе приготовления ВТЭ и сливается в цистерну сточных вод 14. Непрореагировавшая озоно-воздушная смесь удаляется из контактного бака в атмосферу через деструктор 7. Затем озонированный католит через расходомер 4(2) поступает в эжектор 10(1).
Далее смесь озонированной воды и топлива подается в теплообменник 15, где предварительно подогревается теплом, отводимым от ABC 16 (теплоносителем является трансформаторное масло, циркуляция которого осуществляется с помощью насоса теплоносителя 18).
Подогретая смесь поступает в ABC 16, где происходит реструктуризация ВТЭ под действием вихревого слоя. После чего обработанная ВТЭ направляется в двухпродуктовый гидроциклон 9 для отделения побочных продуктов реструктуризации (неусвоенной топливом воды, а также твердых осадков соединений серы и тяжелых углеводородов), которые сбрасываются в цистерну сточных вод 14.
После гидродинамической очистки однородная тонкодисперсная ВТЭ сливается в расходную цистерну 3. Далее с помощью топливного насоса второй ступени 1(2) обработанная ВТЭ подается через эжектор 10(2) к дизелю. Количество воды во ВТЭ в цистерне 3 находится в пределах (5... 10)% в зависимости от содержания в топливе естественных поверхностно-активных веществ. Проведенные автором экспериментальные исследования показали, что полученная после такой обработки ВТЭ не дает отделения воды даже при хранении более 6 месяцев. Предположительно такая ВТЭ может подаваться в дизель на всех режимах его работы, даже при работе на холостом ходу.
Однако, как было отмечено во второй главе, максимальная эффективная доля воды во ВТЭ для дизелей при работе на режиме номинальной нагрузки составляет 21% [32, 64]. Для этого в схеме предусмотрено устройство дополнительного обводнения ВТЭ, которое состоит из топливного насоса второй ступени 1(2), эжектора 10(2), электромагнитного клапана 17 и дроссельной шайбы 13. Работа устройства дополнительного обводнения заключается в следующем. На режиме номинальной нагрузки дизеля получает питание и открывается электромагнитный клапан 17. Подаваемая насосом 1(2) обработанная ВТЭ поступает в эжектор 10(2), где происходит ее смешивание с эжектируемой через дроссельную шайбу 13 и открытый электромагнитный клапан 17 озонированной водой. Количество эжектируемой воды регулируется дроссельной шайбой 13 так, чтобы суммарное содержание не превышало 21%.
Разработка блок-схемы проектирования системы приготовления водотопливной эмульсии Основной задачей проектирования СПВТЭ является обеспечение требуемых параметров при выбранных технологических схемах и заданной производительности. Исходными данными для проектирования являются: технологические схемы блока водоподготовки, блока реструктуризации топлива и производства ВТЭ, блока гидродинамической очистки (см. п. 3.1 настоящей работы); - расход топлива, потребляемого дизелем и котлоагрегатом; - режимы работы дизеля и котлоагрегата; - марки принимаемых на обработку топлив и их основные характеристики; значения внешних факторов, влияющих на процессы реструктуризации топлива; - предельные скорости движения и расходы рабочих сред в элементах систем. Расходы и марки топлив, а также значения внешних факторов, влияющих на процессы реструктуризации, определяются заданием на проектирование. При задании исходных данных в случае их возможного изменения необходимо указать диапазон варьирования с учетом результатов экспериментальных исследований. Разработанная математическая модель служит основой для методики проектирования СПВТЭ. Блок-схема проектирования представлена на рис. 4.2.
