CC BY
214
Ii университета 'ЖУРНАЛ водных / I коммуникации
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
О. К. Безюков,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
В. А. Жуков,
канд. техн. наук, доц., РГАТА им. П. А. Соловьева;
О. В. Жукова,
СПГУВК
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТАРЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
AGING OF COOLING LIQUIDS MATHEMATICAL MODEL FOR MARINE DIESELS
Статья посвящена результатам анализа влияния температуры и гидравлического сопротивления на процесс старения присадок к охлаждающей воде судовых дизелей.
The article is devoted to the results of analysis of influence of temperature and hydraulic resistance on the process of aging of additives to cooling water of marine diesels.
Ключевые слова: судовые дизели, системы охлаждения, эрозионно-коррозионные разрушения, математическая модель старения присадок к охлаждающим жидкостям, силикаты, полимеры, поверхностно-активные вещества.
Key words: marine diesels, systems of cooling, erosion-corrosion destruction, mathematical model of aging of additives to the cooling liquids, silicates, polymeric, surface-active matters.
см ж и
УДОВЫЕ ДВС оснащаются жидкостными системами охлаждения, в которых имеют место эрозионно-коррозионные разрушения и образование отложений, что в свою очередь вызывает до 15 % от общего числа их отказов (рис. 1).
Интенсивность эрозионно-коррозион-ных разрушений в значительной мере определяется физико-химическими свойствами теплоносителя системы охлаждения, поэтому задача обеспечения и поддержания в эксплуатации требуемых свойств охлаждающих жидкостей (ОЖ) дизелей является весьма актуальной.
Анализ отраслевых требований и рекомендаций заводов-изготовителей ДВС позволил определить показатели качества охлаждающей жидкости и их рекомендуемые значения (табл. 1). Требуемые параметры теплоносителя могут быть обеспечены различными методами водоподготовки, представленными в табл. 2.
40
35
30
ч® о4 25
X 3 20
ы
5 15
10
5
0
I I
1
Рис. 1. Распределение основных видов отказов дизелей, %: 1 — КШМ; 2 — ЦПГ; 3 — система топливоподачи; 4 — система выпуска; 5 — система смазки; 6 — система охлаждения; 7 — резинотехнические изделия
II университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
Таблица 1
Требования, предъявляемые к охлаждающим жидкостям судовых ДВС
Требования, предъявляемые к охлаждающей жидкости Показатели качества охлаждающей жидкости Предельно допустимые значения
Малая химическая агрессивность содержание сульфат-ионов (8042-) не более 100 мг-экв/л
содержание хлорид-ионов (С1-) не более 200 мг-экв/л
содержание растворенного кислорода —
щелочность —
водородный показатель 8,5-9,0
удельная электропроводность —
Отсутствие склонности к накипеобразованию общее солесодержание не более 250 мг/л
жесткость 1,5-3,0 мг-экв/л
Отсутствие склонности к расслоению — —
Отсутствие вспениваемости — —
Способность влиять на процессы теплообмена поверхностное натяжение 0,055 НПм
кинематическая вязкость 1,20 (м2/с)-10-6
Таблица 2
Методы водоподготовки
во
у
о X 2
Метод Назначение Недостатки
Применение химических реагентов Уменьшение эрозионно-коррозионных разрушений и накипеобразования Отсутствие обоснованных рекомендаций по технологии использования
Коагуляция коллоидных примесей, известкование Предварительная очистка воды Трудоемкость и длительность определения концентрации взвешенных веществ, образование шлама, необходимость дополнительной обработки
Фильтрация Обработка воды Трудоемкость процесса, громоздкость оборудования
Применение зернистых сыпучих материалов Очистка воды от грубодисперсных примесей Необходимость дополнительной обработки
Дистилляция Очистка вод с высоким солесодержанием Экономически невыгодный метод, громоздкость оборудования
Стабилизация подкислением Предупреждение образования накипи карбоната кальция и гидроксида магния Необходим тщательный контроль дозирования кислоты
Дегазация Удаление растворенных в воде газов Необходимость дополнительной обработки, трудоемкость процесса
Большинство из этих методов нецелесообразно или невозможно использовать в судовых условиях из-за ограниченности пространства машинного отделения, необходимости установки дополнительного оборудования и усложнения систем охлаждения.
Наиболее приемлемым и эффективным способом обеспечения требуемых эксплуатационных свойств охлаждающей жидкости является введение присадок, основные типы которых приведены в табл. 3.
Таблица 3
Присадки к охлаждающей жидкости, их теплофизические и физико-химические свойства
Химические Масляные (водоэмульсионные)
Особенности типа присадки Присадки на основе ингибиторов коррозии, ПАВ, водорастворимых полимеров. Пассивация металлов, образование на их поверхности защитных окисных пленок, перевод в шлам накипеобразо-вателей, нейтрализация кислотности воды Присадки на нефтяной основе
Вид Хроматные Нитритно - боратные Неорганические пас-сиваторы □
Особенности Токсичны, применение требует особой осторожности Не токсичны, окисляют корродирующие продукты до высших солей Снижение или повышение концентрации в небольших пределах не оказывает влияния на скорость коррозии Эффективны только при защите металлов от коррозионных процессов, скорость которых определяется скоростью массо-переноса окислителя к корродирующей поверхности При омывании эмульсией охлаждаемых поверхностей на них образуется пленка масла, предотвращающая коррозионные разрушения и образование отложений. Кроме того, благодаря демпфирурующе-му эффекту масляная пленка способна уменьшать кавитаци-онные разрушения
Недостатки Высокая чувствительность к концентрации в охлаждающей воде Не может использоваться в системах охлаждения с элементами из алюминиевых сплавов, в трубах с гальваническими покрытиями. Нитрит ядовит, смертельная доза 3-4 г При локальных кор-розионных процессах (кавитационная эрозия, коррозионная усталость и пр.) эти ингибиторы не эффективны Опасность местных перегревов из-за ухудшения теплообмена при увеличении толщины масляной пленки, что возможно при увеличении концентрации эмульсии в воде. Не рекомендуется применять водоэмульсионные присадки в форси-роваванных дизелях. Жесткие требования, предъявляемые к исходной воде
Наименование Бриз (СПГУВК), ИНКОРТ, Vecom ВНИИНП, Экстрол, Shell Dromus (Shell), Arosts
Наиболее перспективными и эффективными являются комплексные присадки, в состав которых входят ингибиторы коррозии, поверхностно-активные вещества и водорастворимые полимеры [2].
В виду того, что основными элементами конструкции остова среднеоборотных дизелей являются черные металлы, важное значение играют компоненты, повышающие водородный показатель охлаждающей жидкости и благодаря этому снижающие интенсивность коррозии.
Таким компонентом для присадок, предназначенных для двигателей, остов которых выполнен из чугуна, может быть силикат натрия, которой при концентрации 0.1-0.3 % мас. обеспечивает рН раствора 9-10. При его введении в охлаждающую воду наблюдается наиболее существенное смещение стационарных потенциалов стали и чугуна в положительную сторону. Этот эффект растет по мере увеличения температуры охлаждающей жидкости.
В щелочной среде (рН = 9...13) силикаты натрия взаимодействуют с поверхностью, обеспечивая коэффициент защиты черных металлов от 30 до 75 % при концентрации 50 мг/л. При концентрации силиката натрия свыше 700 мг/л полностью прекращается локальная и общая коррозия черных металлов. Его ингибирующее действие можно рассматривать как совокупность пассивирующего и кроющего действия продуктов гидролиза — гидроокиси натрия и кремниевой кислоты.
Эффективность ингибитора обусловлена высокой диэлектрической проницаемостью, отсутствием пор и стабильностью ферросили-катных пленок, которые имеют сложный полимерный характер типа (Fe3O4)x(SiO2)y(H2O)z, где y = 1...2.8; x = 1.2...3; z = 2...7.
Однако применение только Na2SiO3 как единственного компонента присадки нецелесообразно, так как он способен образовывать на поверхностях нагрева трудноудаляемую кремнийорганическую накипь. В тоже время совместное применение силикатов и поверхностно-активных веществ (ПАВ) дает положительный эффект, который достигается в результате образования на поверхностях тонких защитных пленок, причем внутренний слой, примыкающий к металлу, образует ферро-
силикаты, защищающие металл от коррозии и препятствующие проникновению ПАВ в микродефекты поверхности, а наружный — молекулы неионогенного ПАВ, которые из-за изменения смачиваемости микрокристаллов солей жесткости и поверхности металла препятствуют образованию накипи [2].
Наличие коллоидных поликремниевых кислот также повышает способность охлаждающей воды диспергировать загрязнения и предупреждать их повторное осаждение на поверхности зарубашечного пространства, способствуют умягчению воды.
Применение этого ингибитора в составе комплексной присадки обеспечивает ее минимальную стоимость, так как исходный продукт для его изготовления — двуокись кремния — самый распространенный минерал земной коры.
Вторым фактором, обусловливающим отказы систем охлаждения, является кавита-ционная эрозия деталей, образующих зару-башечное пространство дизелей. Ее интенсивность определяется числом и динамикой кавитационных пузырьков.
Введение в охлаждающую воду компонентов, повышающих ее вязкость в результате образования структурированных (коллоидных) растворов, благоприятным образом влияет на динамику захлопывания кавитацион-ных пузырьков и способствует снижению их эрозионной активности.
Исследования, проведенные на магни-тострикционной установке, показали, что к их числу, прежде всего, относятся смеси ПАВ — по-лиэтиленгликолевого эфира стеарата пентаэ-ритрита ПП-10, синтанола ДС-10, смачивателя ОП-10 и водорастворимых полимеров, среди которых к числу наиболее эффективных относится полиакриамид (ПАА).
Лабораторные исследования показали, что степень влияния силиката натрия, который при гидролизе также образует коллоидные поликремниевые кислоты, меньше по сравнению с ПАВ и ПАА.
Кроме того, присутствие ПАА в охлаждающей жидкости приводит к изменению реологических свойств охлаждающей жидкости, препятствует переносу количества движения поперек потока, то есть ламинеризирует его
00 о-
X 2
пристеночные слои и тем самым снижает гидравлическое сопротивление системы охлаждения, уменьшает интенсивность конвективного теплообмена и величину тепловых потерь в охлаждающую воду [6].
Под действием эксплуатационных факторов происходит старение (деструкция) органических компонентов присадки и снижение качества охлаждающей жидкости в связи с чем возникает необходимость ее замены или восстановления требуемых свойств, которое может быть осуществлено путем дополнительного введения присадок.
В настоящее время отсутствуют обоснованные рекомендации по продолжительности эксплуатации охлаждающих жидкостей, содержащих ПАВ и ПАА, и периодичности дополнительного введения в них компонентов для восстановления качества ОЖ.
Такие рекомендации позволили бы, во-первых, повысить надежность систем охлаждения и двигателей в целом и, во-вторых, сократили бы эксплуатационные расходы, связанные с необоснованно ранней или поздней заменой охлаждающих жидкостей.
Поэтому были предприняты исследования, направленные на выявление факторов, обусловливающих старение охлаждающих жидкостей, и разработку математической модели этого негативного процесса.
В качестве гипотезы причин старения присадок была принята термофлуктуацион-ная теория разрушений, предложенная академиком С. Н. Журковым и развитая научной
Л\ {
Г-.Г-1
I /
см
Ж
и
/1>
б
Ж -II
школой, сформированной в Физико-техническом институте им. акад. А. Ф. Иоффе, в соответствии с которой деструкция (разрыв внутренних связей ПАВ и ПАА) происходит в результате двух основных воздействий — теплового и механического.
Согласно этой теории в результате повышения температуры ОЖ до 70-95 °С растет интенсивность тепловых флуктуаций молекул ПАВ и ПАА, сопровождающаяся растяжением межмолекулярных и межатомных связей [4].
При обтекании вибрирующих поверхностей втулок цилиндров, при движении жидкости в центробежных и винтовых насосах систем охлаждения наблюдается кавитация — местное нарушение сплошности течения с образованием парогазовых каверн, рост и захлопывание которых происходит с высокой скоростью и сопровождается мощными пульсациями давления, воздействующими на ОЖ.
Кроме того, механическое воздействие на органические компоненты присадок оказывается при ее прокачивании через каналы сложной формы системы охлаждения, в которых преобладает турбулентный режим течения, сопровождающийся интенсивным перемешиванием жидкости, пульсациями скоростей и давлений [5].
Конечным результатом как тепловых, так и механических воздействий является разрыв межатомных и межмолекулярных связей органических компонентов присадок (рис. 2), приводящих в конечном итоге к деструкции ПАВ и ПАА и старению ОЖ.
ш
¿■-/■-А/-./-./
а
в
г
д
Рис. 2. Мицеллярные структуры молекул ПАВ и макромолекула полиакриламида: а, в — шарообразные мицеллы ПАВ; б, г — пластинчатые мицеллы ПАВ; д — ПАА
Поэтому в данной работе в качестве факторов, обусловливающих деструкцию органических компонентов, рассматривались рабочая температура ОЖ Т, гидравлическое сопротивление системы охлаждения Ар, время эксплуатации т и концентрация присадки с. Функциями отклика являются поверхностное натяжение о (характеризующее состояние ПАВ), водородный показатель рН (характеризующий концентрацию силиката натрия) и вязкость V (характеризующая состояние ПАА).
Математическая модель старения охлаждающей жидкости представляется в виде системы интерполяционных уравнений функций отклика
° = А(Т, Ар,х ),
< РН = /2(Т, АР^ X (1)
V = /з(Т, Ар,х).
С целью подтверждения принятой гипотезы были созданы специальные экспериментальные установки.
Для моделирования теплового воздействия необходимо осуществлять циклическое нагревание жидкости от 20 до 100 °С, что воспроизводит запуск двигателя, его прогрев, последующую остановку и охлаждение. Интенсивность нагрева должна быть такой, чтобы время повышения температуры соответствовало времени прогрева двигателя в условиях эксплуатации.
Механическое воздействие на жидкости оказывается в процессе их прокачивания по системе охлаждения.
а
♦ ПА
т, час
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
Результаты лабораторных исследований теплового и механического воздействий на охлаждающую жидкость, содержащую присадку, представлены рисунках 3-5. Результаты обработки экспериментов, проведенных при различных условиях, позволили получить систему трехфакторных регрессионных уравнений (2-4), описывающих изменения основных эксплуатационных свойств охлаждающих жидкостей с течением времени под действием тепловых и механических воздействий. Уравнения регрессии имеют вид: для коэффициента поверхностного натяжения
О = 1,678 - 3,4110-4 Ар - 2,36 10-4Т- 0,0175Т, (2) для вязкости
V = 1,975-10,5 10-2Аp + 6,5 10-3т + 3,5 10-3Т, (3) для водородного показателя рН = 6,425 + 5,17 • 10-3Ар +1,5 10-3т + 33,0 10-3Т, (4) где: Ар - гидравлическое сопротивление контура циркуляции;
Т — температура жидкости в емкости одной экспериментальной установки; т — длительность испытаний. Уравнения экспоненциальных зависимостей долговечности т охлаждающей жидкости, содержащей комплексную присадку, от температуры для показателей качества: для поверхностного натяжения: т = 0,01 ■ ехр(0,05 ■ Т) + 0,023; для вязкости:
т = 9,9 ■ 103 ■ ехр(3,9 ■ 10-7 ■ Т) - 9,9 ■ 103; для водородного показателя: т = - 4,6 ■ 105 ■ ехр(7,5 ■ 10-7 ■ Т) + 4,6 ■ 105.
б
т, час
Рис. 3. Зависимость водородного показателя рН от времени теплового воздействия т в режиме интенсивного пузырькового кипения (а) и времени термомеханического воздействия т при концентрации раствора 0,5 % (б)
университета
'ЖУРНАЛ водных
коммуникации
Проверка адекватности модели с использованием аппарата математической статистики по критериям Фишера позволяет утверждать, что полученные регрессионные зависимости с принятой вероятностью Р = 0,95 могут быть использованы для оценки влияния температуры, гидравлического сопротивления и времени на основные физико-химические свойства охлаждающей жидкости.
Анализ значений коэффициентов регрессионных уравнений позволяет оценить влияние факторов на динамику изменения показателей. Наибольшее влияние на интенсивность старения оказывает температурный фактор, что хорошо согласовывается с термофлуктуа-
ционной теорией разрушений. Меньшее влияние механического фактора можно объяснить малой скоростью движения жидкости.
Выполненные натурные испытания присадок позволили уточнить математическую модель, в которую были введены поправочные коэффициенты, учитывающие отличие реальных условий эксплуатации от условий проведения экспериментальных исследований [7].
Практическое использование предложенной математической модели позволяет прогнозировать срок службы охлаждающих жидкостей, проводить их обоснованную регенерацию или замену и тем самым повышать качество технической эксплуатации судовых ДВС.
Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения С от времени теплового воздействия Т в режиме интенсивного пузырькового кипения (а) и времени термомеханического воздействия т при концентрации присадки 0,5 % (б)
см ж и
у = 0,8671е °.метх
у = 0,68в 0.007ЭХ
у = 0,86е у = 0,86е1 у = 0,86е 0,1
Рис. 5. Зависимость вязкости V от времени теплового т воздействия в режиме интенсивного пузырькового кипения (а) и времени термомеханического воздействия т, концентрация веществ 0,3 % (б)
университета
[ЖУРНАЛ водных коммуникации
Список литературы
1. Безюков О. К. Основные положения феноменологической модели эрозионно-коррозион-ных разрушений втулок цилиндров судовых дизелей: материалы Всероссийской научно-методической конференции: сб. тезисов. — СПб.: СПГУВК, 1994. — С. 117-119.
2. Безюков О. К. Требования к присадкам к охлаждающей воде судовых дизелей: материалы Всероссийской научно-методической конференции: сб. тезисов. — СПб.: СПГУВК, 1994. — С. 121-123.
3. Безюков О. К., Жуков В. А., Ларин В. А. Экспериментальное исследование теплоотдачи в жидкости, содержащей добавки высокополимеров и поверхностно-активных веществ // Инж.-фи-зич. журн. — 1993. — Т. 64, № 1.
4. Журков С. Н., Регель В. Р., Санфирова Т. П. Связь между температурно-временной зависимостью прочности и характером термической деструкции полимеров // Высокомол. соед. — 1964. — № 4 (6). — С. 1092.
5. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление: справ. пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 с.
6. Тузов Л. В. Исследование влияния присадок к охлаждающей жидкости дизелей на процессы теплоотдачи / Л. В. Тузов, О. К. Безюков, В. А. Жуков, В. А. Ларин // Двигателестроение. — 1996.— № 1. — С. 55-59.
7. Тузов Л. В., Безюков О. К., Жуков В. А. Разработка и опытная эксплуатация многофункциональных присадок к охлаждающей воде судовых дизелей // Моделирование и оптимизация сложных систем: сб. науч. трудов. — Н. Новгород: ВГАВТ, 1997. — Вып. 273. — С. 121.
О. К. Безюков,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
А. А. Кордаков,
соискатель, СПГУВК
СРЕДСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОСТОВА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
FACILITIES FOR CONTROL OF THE THERMAL STATE OF DETAILS OF FRAME
OF MARINE DIESELS
В статье дан анализ долговечности деталей судовых дизелей, приведены причины их отказов и поломок, рассмотрены возможности обеспечения безотказности и ресурса судовых дизелей путем применения в эксплуатационных условиях современных средств контроля теплового состояния их остова: тепловизо- и
ров, пирометров, контактных термометров и термоиндикаторных красок. П
The article gives the analysis of durability of the details of marine diesels, causes of their failure and g
breakdowns; examines the opportunities of guarantee of faultlessness and resource of marine diesels by using 141
modern facilities for control of the thermal state of their frame: teplovizors, pyrometers, contact thermometers and E83 thermopaints.
Ключевые слова: судовой дизель, остов, безотказность и ресурс, температурные поля, тепловизор, пирометр, контактный термометр, термоиндикаторные краски.
Keywords: Marine diesel, frame, faultlessness and resource, temperature fields, teplovizor, pyrometer, contact thermometer, termopaints.
