CC BY
63
шнЕРШшРЕтурсшшБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕшаштишЬ 25
УДК 621.43
Энергоэффективная технология молекулярной модификации углеводородного топлива электрическими полями
В. Г. Мурамович,
Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН, заведующий лабораторией,
кандидат технических наук, доцент
П. Ф. Анисимов,
Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН, научный сотрудник
С. В. Туев,
Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН, научный сотрудник
В статье изложены результаты теоретических исследований взаимодействия переменных электрических полей с молекулами углеводородов и результаты испытаний молекулярных модификаторов топлива. Метод молекулярной модификации углеводородного топлива позволяет заметно уменьшить удельные расходы топлива и существенно улучшить экологические характеристики энергетических установок.
Ключевые слова: электрическое поле, углеводородное топливо, молекулярная модификация топлива.
В течение многих лет проводятся эксперименты по воздействию различных физических полей на углеводороды. Научные исследования такого рода выполняются, главным образом, для нефтедобывающей отрасли. На рубеже ХХ-ХХ1 вв. появилось несколько исследовательских работ, посвященных взаимодействию сильных электрических полей (постоянного и переменного) на углеводороды [1-3]. Однако работы носят разрозненный характер, а изложенные в них научные обоснования противоречивы.
В целом исследований по воздействию физических полей на моторные и котельные топлива мало, они не носят систематического характера. В то же время существует большое число иностранных и российских патентов по улучшению эксплуатационных характеристик моторного топлива и уменьшению его удельного расхода. Многие из изобретений не соответствуют заявленным характеристикам - фактически эффект взаимодействия физических полей с углеводородами либо отсутствует, либо настолько мал, что не превышает погрешности измерений.
В Институте проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН исследовалась возможность повышения энергоэффективности использования углеводородного топлива относительно слабыми электрическими полями [4, 5]. В результате была разработана и испытана технология, получившая название «Технология молекулярной модификации топлива (ММТ)». Взаимодействие слабых электрических полей с молекулами углеводородов приводит к улучшению группового и фракционного состава топлива [4].
Данные [2] свидетельствуют об увеличении теплоты сгорания топлива после воздействия на него электрического поля. В результате топливо лучше
распыляется в цилиндрах двигателя, улучшаются гомогенность его смеси с воздухом и качество сгорания. Таким образом, изменения группового и фракционного состава топлива приводят к уменьшению его удельного расхода и улучшению экологических характеристик двигателей.
Эффективная частота электрического поля, необходимая для деструкции молекул углеводородов, зависит от их концентрации в топливе [3]. Чем выше концентрация молекул вещества, с которым взаимодействует электрическое поле, тем большая частота поля требуется для эффективной деструкции его молекул. Концентрация молекул топлива
составляет:
Nmol=NА Р/М,
(1)
где NА - число Авогадро;
р - плотность топлива;
М - среднее значение молекулярной массы топлива, рассчитанной по его брутто-формуле.
Одним импульсом электрического поля возбуждается и превращается в активные частицы число молекул, равное
п =ртах ,
пвоз6
П
/Евозб,
(2)
где эт.возб - число молекул, возбуждаемых в объёме камеры одним импульсом поля;
тах
£п - максимальная энергия импульса поля;
Евозб - энергия возбуждения колебательных уровней молекул углеводородов. При этом за один период колебания поля оно дважды достигает амплитудного значения.
Тогда скорость изменения концентрации возбужденных молекул в камере составит:
ПвозбЛ=пвозб^кам=ЕГ^/Евозб^ам,
где G - расход топлива;
Укам - объём топлива в камере.
Имея в виду, что G=V/t (где t - время нахождения топлива в камере) и переходя к частоте поля, учитывая, что за период колебания напряженность поля дважды достигает амплитудных значений, получим
f=EвозбNА pV/2EmaxMt.
Учтём скорость цепных химических реакций и скорость гибели активных частиц на стенках рабочей камеры и в реакциях обрыва цепей с помощью отношения w/ko, где w - скорость цепных химических реакций, ко - скорость гибели активных частиц на стенках камеры, и получим выражение для эффективной частоты электрического поля, необходимой для молекулярной модификации топлива:
fэф=(w/kо)ЕBозбNА pV/2EmaxMt, (3)
где (w/ко) - глубина модификации топлива, т. е.
отношение скорости воспроизводства активных частиц к скорости их гибели на стенках камеры.
Максимальная энергия импульса электрического поля определяется как
EnaX=CU2/2, (4)
где С - электрическая ёмкость рабочей камеры ММТ;
U - амплитуда напряжения на электродах камеры ММТ.
В частном случае, если рабочая камера ММТ изготовлена в виде цилиндрического конденсатора, то её электрическая ёмкость определяется как ёмкость цилиндрического конденсатора:
C=2nss0l/ln(R/r), (5)
где s - диэлектрическая проницаемость топлива;
So - электрическая постоянная; l - длина электродов камеры;
R, r - радиусы наружного и внутреннего электродов камеры.
Подставляя выражения (4) и (5) в выражение (3) и заменяя V/t на G, окончательно получаем уравнение для эффективной частоты электрического поля, необходимой для возбуждения колебательных уровней у пвозб молекул:
fэф=(w/ko)NА рЕвозбаи^/г)/2Ми^оп1. (6)
Выражение (6) связывает между собой основные характеристики переменного электрического поля (амплитуду напряжения на электродах и частоту поля) с физическими характеристиками топлива (плотностью, молекулярной массой, диэлектрической проницаемостью) с геометрическими размерами рабочей камеры, и расходом топлива.
Очевидно, что различные виды углеводородного топлива исходя из различия их физических характеристик и различные типы и мощности энергетических установок с различными расходами топлива требуют для эффективного воздействия на топливо различных параметров электрического поля. Так, например, для поршневых двигателей внутреннего сгорания требуется сохранение октанового или цета-нового числа топлива, что связано с ограничением глубины модификации бензинов и дизельного топлива. Расчёты, выполненные с использованием этой зависимости, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, полученными при испытаниях устройств молекулярной модификации на различных энергетических установках.
Устройства молекулярной модификации монтируются в трубопровод подачи топлива из расходного бака к двигателю и не нарушают конструкции самого двигателя. Мощность, потребляемая устройством ММТ, например из бортовой сети автомобиля, составляет не более 3 Вт. Общий вид устройства ММТ для грузового автомобиля показан на рис. 1.
С целью определения эффективности разработанных молекулярных модификаторов топлива проведены стендовые испытания двигателей: впрыско-вого - ВАЗ-2111 и дизельного - ЯМЗ-238 на сертифицированном испытательном стенде Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Рис. 1. Устройство ММТ для двигателя мощностью до 330 кВт
Испытания выполнялись по методике, утвержденной ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».
Замеры базовых характеристик двигателей и характеристик с молекулярным модификатором топлива производились на двух нагрузочных характеристиках и на внешней скоростной характеристике. По результатам испытаний были построены графики зависимостей удельного расхода топлива, содержания СО и дымности в отработавших газах. На рис. 2 и 3 показаны эти характеристики для двигателя ВАЗ-2111.
0,60
Ц 0,55 -
* 0,50-:
(5 0,45
ь
§ 0,40
! 0,35-
V
>? 0,30
0,25'
-база
-с ММТ (начало испытаний) -с ММТ (через 80 моточасов)
20
40 60 80
Крутящий момент,Нм
100
Рис. 2. Изменение удельного расхода топлива ВАЗ-2111 по нагрузочной характеристике 2000 об/мин
О и
1 1 I 1 I
- база с ММТ (начало испытаний) с ММТ (через 80 моточасов)
/ -т-
20
40 60 80
Крутящий момент, Н м
100
Рис. 3. Изменение СО в отработавших газах ВАЗ-2111 по нагрузочной характеристике 2000 об/мин
На рис. 4 и 5 показаны изменение удельного расхода топлива и дымности двигателя ЯМЗ-238.
0,70-
200 250 300 Крутящий момент, Н м
Рис. 4. Изменение удельного расхода топлива двигателя ЯМЗ-238 по нагрузочной характеристике п=1400 об/мин
Рис. 5. Изменение дымности двигателя ЯМЗ-238 по нагрузочной характеристике п=1400 об/мин
Для анализа получаемых эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного КПД, токсичности отдельно по компонентам СО, СН, NОx и дымности, рассчитываемые как усреднённые проценты отклонения параметров двигателя, полученных при работе на испытуемом топливе, прошедшем обработку устройством ММТ, относительно эталонного. Усреднение проводится более чем по 20 режимам нагрузочных и внешней скоростной характеристик. Результаты усреднения для двигателя ВАЗ-2111 приведены в табл. 2, а для двигателя ЯМЗ-238 - в табл. 3.
Таблица 2
Усреднённые эффекты (%) при использовании устройства ММТ на двигателе ВАЗ-2111
Усреднённые эффекты, % относительно базы
Расход топлива СО СН NOx Мощность
С устройством ММТ (начало) -6,03 -7,97 -10,85 +4,02 +0,4
С устройством ММТ (конец) -8,11 -11,57 -15,70 +7,61 +2,03
Таблица 3
Усреднённые эффекты (%) при использовании устройства ММТ на карбюраторном двигателе ЯМЗ-238
Усреднённые эффекты, % относительно базы
Расход топлива Эффек. КПД СО СН NOx Дым
С устройством ММТ -6,2 +6,2 -5,4 -6,8 +5,3 -24,0
Факт модификации топлива также подтверждается данными эксперимента по определению реального порога его детонационной стойкости, показавшего меньшую стабильность топлива, прошедшего обработку устройством ММТ. По окончании основного цикла испытаний на карбюраторном двигателе ВАЗ-2108 был поставлен эксперимент по определе-
5
3
нию изменения реального порога детонации (аналога дорожного октанового числа) при использовании устройства. Для этого на двигателе была изменена регулировка угла опережения зажигания путём смещения на 5 градусов поворота коленчатого вала вперед с тем, чтобы спровоцировать развитие детонационных процессов, начиная со средних нагрузок двигателя.
После этого на трёх режимах с фиксированными оборотами (2000, 2500 и 3000 об/мин) постепенно поднималась нагрузка с выдержкой на каждой точке нагружения до полной стабилизации температур, вплоть до фиксации детонационных стуков. Потом эксперимент повторялся в варианте комплектации двигателя устройством ММТ. Результаты этого эксперимента сведены в табл. 4.
Таблица 4
Пределы нагрузки по детонации, двигатель ВАЗ-2108, без и с устройством ММТ
Необходимо заметить, что при испытаниях инжекторного двигателя ВАЗ-2111 признаков детонации при работе с молекулярным модификатором не отмечено. Автоматика двигателя, изменяющая угол опережения зажигания, вполне справляется с незначительным уменьшением октанового числа бензина.
Это подтверждается результатами длительных (ресурсных) испытаний двигателя ВАЗ-2111, по ходу которых для оценки влияния устройства ММТ на октановое число топлива было произведено измерение октанового числа образцов бензинов по исследовательскому методу (ОЧИ).
Первый образец - базовый бензин, на котором проводились испытания контрольного двигателя. Второй образец бензина был взят из расходной ёмкости экспериментальной установки, в которую был организован приём топлива из трубопровода обратного слива двигателя. Отбор пробы был произведен после выработки двигателем, оснащенным устройством ММТ, 3/4 объёма расходной ёмкости (30 л).
Измерение ОЧИ производилось на установке УИТ-65 согласно ГОСТ 8226.
Результаты измерения:
- ОЧИ образца бензина 1 - 93,2 единицы;
- ОЧИ образца бензина 2 - 92,3 единицы.
При проведении длительных испытаний бензинового двигателя производилось точное взвешивание деталей цилиндро-поршневой группы и свечей зажигания контрольного двигателя, работавшего без устройства ММТ, и испытуемого двигателя с устройством ММТ. В результате было установлено, что
загрязнения испытуемого двигателя и масса отложений в нем меньше, чем загрязнения и отложения в контрольном двигателе, работавшем без устройства ММТ. Таким образом, наблюдалась тенденция к увеличению ресурса двигателя, работавшего с устройством ММТ. Аналогичный вывод можно сделать и в отношении дизельного двигателя, поскольку в его отработавших газах уменьшаются концентрации несгоревших углеводородов и дымность.
На всех двигателях, где испытывалось и применялось оборудование молекулярной модификации топлива, отмечено значительное улучшение основных экологических показателей. Такое улучшение обусловлено следующими причинами:
- уменьшение массы сжигаемого топлива приводит к уменьшению массы всех выбросов в атмосферу;
- в результате применения метода молекулярной модификации углеводородного топлива длина углеродных скелетов молекул и энергия их дезинтеграции уменьшаются, поэтому процесс окисления становится более полным. Это приводит к резкому сокращению выброса в атмосферу вредных веществ, таких как СО, СН. При этом происходит неизбежное и незначительное увеличение концентрации N0^ что обусловлено увеличением температуры в камерах сгорания;
- все энергетические установки при работе с молекулярными модификаторами топлива снижают потребление кислорода из атмосферного воздуха.
Технология молекулярной модификации углеводородного топлива пригодна для всех его видов от бензина до мазута и может быть применена на любых энергетических установках, работающих на этих видах углеводородного топлива. В частности, она испытана в специализированной лаборатории и на различных котельных установках ГУП «ТЭК Санкт-Петербурга». Результаты исследований физических характеристик мазута до и после воздействия на него электрическим полем представлены в табл. 5.
Таблица 5
Изменение физических характеристик мазута
Характеристика Измеренные значения
Мазут до ММТ Мазут после ММТ Изменение, %
Влажность Wt, % 8 8 0,0
Вязкость, сСт 17,8 15,8 -12,4
Температура вспышки, оС 190 170 -10,5
Результаты применения молекулярных модификаторов топлива представлены в табл. 6 выпиской из режимной карты котла ДКВр-10/13.
Таким образом, испытания энергетических установок, работающих на легком и тяжелом углеводородном топливе, продемонстрировали, что молекулярная модификация приводит к уменьшению удельного расхода и улучшению качества сгорания топлива. В силу ряда причин не могли быть выполнены испытания дизелей морских судов, работающих на флотском мазуте. Тем не менее, полученные
Режим, частота вращения к. в., об/мин Нагрузка предела детонации, Н-м
без устройства с устройством
2000 83 71
2500 84 77
3000 88 82
Таблица 6
Выписка из режимной карты котла ДКВр-10/13
Показатели работы котла В штатном режиме При включенном ММТ Изменение показателя %
Паропроизводительность, т/ч 9,0 9,8 + 8,9
Давление пара в барабане, кгс/см2 10,0 10,0 0,0
Давление мазута в горелке, кгс/см2 9,0 7,0 -22
Температура. уходящих газов за котлом, °С 265 257 -3,0
Расход мазута на котел, кг/ч 644 570 -11,5
Потребление мазута на производство 1 Гкал тепла, кг/Гкал 114,5 93,06 -18,7
Расход электроэнергии на 1 Гкал выработанного тепла, кВт-ч/Гкал 7,2 6,2 -13,9
результаты качественно можно распространить и на эти машины, поскольку флотский мазут представляет собой промежуточную между мазутом и
дизельным топливом смесь углеводородов. Аналогичные результаты были получены и на других котельных установках.
Литература
1. Александров А. Б., Александров Б. Л., Хари В. А. Подготовка жидких углеводородных топлив к процессу горения воздействием электромагнитного поля // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2008. - № 10.
2. Герловин И. Л. Основы единой теории всех взаимодействий в веществе. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Остапенко А. А. Электровязкостный эффект в переменном электрическом поле // Журнал технической физики, 2000. Т. 70. Вып. 8.
4. Белый О. В., Искандеров Ю. М., Мурамович В. Г., Туев С. В., Анисимов П. Ф. Увеличение энергоотдачи углеводородных топлив воздействием на них переменных электрических полей // Морские интеллектуальные технологии. - 2009. - № 3(5). - С. 58-65.
5. Мурамович В. Г., Анисимов П. Ф., Туев С. В. Повышение экономических и экологических характеристик энергетических установок морских судов // Эксплуатация морского транспорта. - 2012. - № 2(68). - С. 51-54.
Power effective technology of molecular updating by hydrocarbonic fuel electric fields
V. G. Muramovich,
N. S. Solomenko Institute of Transportation Problems of the Russian Academy of Sciences, head of laboratory, lecturer
P. F. Anisimov,
N. S. Solomenko Institute of Transportation Problems of the Russian Academy of Sciences, researcher
S. V. Tuev,
N. S. Solomenko Institute of Transportation Problems of the Russian Academy of Sciences, researcher
The paper gives the results of theoretical researches of electric fields interaction with hydrocarbons molecules. Results of fuel molecular modifiers' tests on the basis of theoretical researches are documented. The method of hydrocarbon fuel molecular updating allows to reduce fuel consumption considerably and to improve ecological characteristics of power installations.
Keywords: electric field, hydrocarbon fuel, molecular fuel updating.
