CC BY
77УДК 621.436
Ю.И. Матвеев, д.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» А.М. Пырков, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА ТОПЛИВА
Ключевые слова: тяжелое топливо, ультразвуковая обработка, сернистый износ, ас-фальто-смолистые вещества.
В данной статье рассматриваются вопросы и проблемы, которые связаны с переходом судов на тяжелые сорта топлива. Предложен способ повышения качества топлива с помощью ультразвуковой обработки как дополнительного средства. Дано описание сущности процесса ультразвукового воздействия на жидкости, в том числе и на топливо. Приведен эксперимент, позволяющий оценить эффект от применения данного вида обработки. Описан результат влияния ультразвука на дизельное и тяжелое топлива.
Введение
В настоящее время все большее число судов с дизельными энергетическими установками переходят на использование тяжелых сортов топлива. Данный вид топлива требует дополнительной обработки перед его сжиганием в двигателе или котельной установке. Это связано со значительными отличиями его от топлива, имеющего более легкий фракционный состав. Тяжелое топливо при одинаковой температуре имеет большую плотность и вязкость, а так же большее содержанием серы, асфальто-смолистых веществ, воды и механических примесей. Использование данных сортов топлива существенно влияет на увеличение износа деталей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры судовых дизелей, увеличению нагара и количества шлама при топливоподготовке.
Основным методом топливоподготовки на судах в настоящее время является сепарация и фильтрация. Но в таком случае имеют место значительные потери горючих асфальто-смолистых веществ, то есть происходит снижение эффективности топливо-использования. Данные потери горючих веществ в виде шлама создают дополнительные проблемы, связанные с утилизацией отходов, и прежде всего с охраной окружающей среды. Поэтому важной задачей является совершенствование систем подготовки тяжелого топлива, исключающих или сводящих к минимуму потери асфальто-смолистых веществ, а так же повышающих экономичность и ресурс дизелей. По результатам многочисленных исследований одним из перспективных методов дополнительной обработки топлива является применение метода ультразвуковой обработки.
Сущность и результаты ультразвуковой обработки
Ультразвуковая обработка жидкостей основана главным образом на возникновении кавитации [1, 2]. При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия и являются причиной разрушительного действия ультразвука. Энергия схлопывания пузырьков, усиленная ультразвуковыми волнами, позволяет разрушать все известные материалы. Температура внутри кавитационных пузырьков может достигать 1500^ при давлении от 20 МПа до 150 МПа.
Исследования, проведенные после процесса ультразвуковой кавитационной обра-
ботки, подтверждают глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов. Даже простая деполимеризация любого жидкого топлива уже приравнивается к его активированию, что существенно улучшает полноту сгорания топлива, снижает вредные выбросы, увеличивает экономичность двигателя и его ресурс. Кроме этого, кавитация сопровождается и частичным разрушением самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые еще больше инициируют процессы сгорания. Таким образом, облегченный фракционный состав (при том же типе воздушного потока) не только облегчает пуск двигателя, но делает сгорание топлива равномерным и более полным.
В качестве примера можно привести эксперимент, проведенный Одесской национальной морской академией по применению ультразвука для обработки топлива [3].
Для этого эксперимента использовались два одинаковых дизеля марки Г74 фирмы «Русский дизель», имеющих номинальную мощностью 1150 кВт, при частоте вращения коленчатого вала 500 об/мин. Использовался генератор УЗДН-1УЧ2 с магнито-стрикционными излучателями в диапазоне частот 15.. .35 кГц.
Задачей исследования было определение износа цилиндровых втулок и верхнего поршневого кольца для «стандартного» топлива, и топлива подвергшегося дополнительной обработке с помощью ультразвуковых волн.
Результаты эксперимента: снижение износа (сернистого) цилиндровой втулки на 67% и массового износа верхнего поршневого кольца на 72%, более быстрое достижение значений постоянного износа, улучшение состояния деталей цилиндропоршне-вой группы и газовыпускной системы, уменьшение нагара, снижение тепловой напряженности и механических потерь, улучшение экологических параметров двигателя (снижении эмиссии N0 на 18%).
Кроме этого известны особенности ультразвуковой обработки применительно к дизельному топливу [4]. К ним относятся:
- улучшение коэффициента фильтруемости на 20%, за счет снижения вязкости;
- снижение предельной температуры фильтруемости и температуры застывания ДТ, за счет обработки парафинов;
- увеличение цетанового числа;
- увеличение межремонтного периода эксплуатации двигателя и топливной системы, за счет снижения содержания примесей;
- снижение расхода топлива, за счет предпламенной подготовки топлива путем деполимеризации топлива.
Физика процесса ультразвуковой обработки топлива
Основное воздействие на жидкость происходит за счет кавитации, возникающей в процессе ультразвуковой обработки [5, 6]. То есть фактически происходит измельчение всех механических примесей (рис. 1) и других плотных образований, имеющихся в данной жидкости (топливе).
Пргщйс.с чапитации
Рис. 1. Процесс измельчения примесей посредством ультразвуковых волн
Наиболее интересными процессами являются процессы ультразвукового эмульгирования (получения эмульсий) и диспергирования (получения тонкодисперсных суспензий). Эти процессы связаны с увеличением поверхности взаимодействия и поэтому лежат в основе интенсификации множества других процессов.
Кроме измельчения (диспергирования и дезинтеграции) так же происходят процессы смешивания и гомогенизации топлива. За счет этих процессов достигается более полная однородность жидкости (в частности топлива) по ее объему. При чем, образованная вследствие обработки ультразвуком, эмульсия сохраняется длительное время и не происходит расслоения смешанных жидкостей. Устойчивость к расслоению эмульсий полученных в ультразвуковом реакторе составляет от нескольких часов до нескольких суток, а в отдельных случаях даже до нескольких месяцев.
Ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование (не реализуемое другими способами), увеличивая межфазную поверхность реагирующих элементов. Возникающая под действием колебаний в жидкости кавитация и сопровождающие ее, мощнейшие микропотоки, звуковое давление и звуковой ветер воздействуют на пограничный слой и «смывают» его. Таким образом, устраняется сопротивление переносу реагирующих веществ и интенсифицируется технологический процесс. Все это, несомненно, оказывает влияние на процесс сгорания топлива, прошедшего ультразвуковую обработку.
Вывод:
Метод ультразвуковой обработки топлива является перспективным с целью повышения экономичности судовых дизельных установок. Для широкого практического применения в судовых системах топливоподготовки требуются дополнительные теоретические и практические исследования. Использование ультразвука для обработки топлива позволяет значительно снизить износ деталей цилиндро-поршневой группы и топливной аппаратуры судовых дизелей. Так же повышается эффективность в целом всей судовой энергетической установки за счет увеличения эффективности топливо-использования.
Список литературы:
[1] Викторов И.А. «Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике», М.: издательство «Наука», Москва, 1966. 163 с.
[2] Технологии производства [Офиц. сайт] URL: http://proiz-teh.ru
[3] Научно-практические конференции ученых и студентов с дистанционным участием. Коллективные монографии [Офиц. сайт] URL: http://sibac.info/15244
[4] Василевский А. В. «Способ улучшения пусковых качеств дизельных двигателей в условиях низких температур посредством ультразвуковой кавитационной обработки дизельного топлива». Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «автомобиле и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». Книга 2, Москва, МГТУ «МАМИ», 2010. 247 с.
[5] ТНЦ Техносоник. Ультразвуковой реактор [Офиц. сайт] URL: http://www.b6404.narod.ru /pr.html
[6] Применение ультразвука в промышленности [Офиц. сайт] URL: http://u-sonic.ru/book/ export /html/891
[7] Применение ультразвука в промышленности [Офиц. сайт] URL: http://u-sonic.ru/book/ export /html/891
ULTRASONIC FUEL OIL TREATMENT Y.I. Matveev, A.M. Pyrkov
Keywords: heavy fuel, ultrasonic treatment, sulfur wear, asphalt-resinous substances.
The article discusses the issues and problems that are associated with the transition of ships on heavy grades of the fuel. A method for improving the quality of the fuel by sonication as additional means is proposed. The description of the essence of the process of ultrasonic treatment of liquids including the fuel is given. An experiment to assess the effect of this kind of treatment is given. Describes the results of the effect of ultrasound on diesel fuel and heavy fuel is considered.
УДК 621.321
В.И. Самулеев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.П. Мухин соискатель, электромеханик СахМП, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЭЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЭТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ВЭУ)
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, эксплуатационный риск электроснабжения, переходные процессы, короткое замыкание, расчёт токов короткого замыкания.
Данная работа содержит научно и аналитически обоснованный очерк о применении ветроэнергетических установок на стоечных судах ВВТ, являющийся продолжением научных изысканий по данной теме. В данной работе содержатся сравнительные расчёты и данные имитационного моделирования выработки, надёжности и качества электроэнергии ветроэнергетической установки. Приведены результаты двухгодичного исследования имитационных моделей, подбора их параметров, особенностей использования синхронных генераторов в составе с ветроэнергетической установкой (далее ВЭУ). Детально рассмотрен вопрос внезапного короткого замыкания и анализ данного переходного процесса.
Введение
При детальном рассмотрении вопросов широкого применения ВЭУ на стоечных судах ВВТ решались сразу две встречные, по направлению исследований, задачи. Первая заключалась в разработке наиболее приближённой к реальным физическим условиям, модели ВЭУ, а именно той модели, которая удовлетворяла бы условиям, предъявляемым российским речным регистром и, если потребуется, российским морским регистром судоходства [1].
Вторая задача состояла в проверке и в сопоставлении полученных результатов математического исследования, с полученными опытным путём, расчетными данными.
Учитывая вышеизложенный факт, задачи выполнялись одновременно, что усложняло процедуру расчёта и моделирования. Сначала составляется система дифференциальных уравнений для ВЭУ, синхронного генератора, активно-индуктивной нагрузки в нормальной форме Коши и Парка-Горева, которая может быть рассчитана в любом прикладном математическом программном пакете. Хотя наибольшую возможность визуализации моделирования дает представление агрегатов ВЭУ в виде динамических звеньев, например, как это предусмотрено в программе Simulink. составной части пакета Matlab.
