CC BY
61
СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
УДК 621.43
П. Ф. Анисимов
УМЕНЬШЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ПЕРЕВОЗОК МОРСКИМ И РЕЧНЫМ ТРАНСПОРТОМ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
Изложены результаты экспериментальных исследований разработанных молекулярных модификаторов углеводородного топлива, позволяющих уменьшить расходы углеводородного топлива и улучшить экологические и ресурсные характеристики энергетических установок морских и речных судов. Приводятся данные о стендовых и эксплуатационных испытаниях двигателей внутреннего сгорания на легком топливе и котельных агрегатов на тяжелом топливе с молекулярными модификаторами топлива. Показано, что на морских судах возможна существенная экономия дизельного топлива. Рассмотрены перспективы применения молекулярных модификаторов топлива в различных областях техники.
Ключевые слова: молекулярные модификаторы топлива, углеводородное топливо, двигатели внутреннего сгорания, котельные установки, экономичность, экологическая чистота, ресурс энергоустановок.
Введение
К основным показателям эффективности работы морского и речного транспорта относятся экономичность и межремонтный ресурс главных и вспомогательных энергетических установок судов, а также их экологическая чистота. Экономичность и экологическая чистота энергетических установок определяется не только их конструктивными особенностями и эксплуатационными режимами, но и качеством применяемого топлива.
Известно, что углеводородное топливо в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), несмотря на все их совершенство, сгорает не полностью.
Методы и результаты исследования
Для улучшения сгорания топлива в цилиндрах двигателей ООО «ЭКО-СИСТЕМЫ» разработаны устройства - молекулярные модификаторы топлива (МТ), которые позволяют улучшать структуру, фракционный и групповой состав топлива, что повышает качество распыления топлива, увеличивает теплоту и полноту его сгорания [1-3]. Принцип работы устройства МТ заключается в воздействии переменным электрическим полем на молекулы углеводородов, которое приводит к деструкции одной части молекул и к возбуждению колебательных уровней у другой их части.
Параметры переменного электрического поля, физические характеристики топлива и геометрия рабочей камеры устройства МТ связаны зависимостью, которая в простейшем виде (коаксиальная камера) имеет вид
/эф = тАврЕвоз^ЩЯн/ЯвнУМи^Ь2,
где - эффективная частота генератора поля; в - необходимая глубина модификации топлива; ^Ав - число Авогадро; р - плотность топлива; Евозб - энергия возбуждения молекул топлива; G - объемный расход топлива; Лн, Лвн - радиусы наружного и внутреннего электродов камеры; М - молекулярная масса топлива; и - амплитуда напряжения генератора поля, С - электрическая емкость камеры; S - площадь сечения камеры, занятая топливом; Ь - длина камеры [4].
Результаты влияния молекулярной модификации на физические характеристики дизельного топлива представлены в табл. 1.
Таблица 1
Изменение физических характеристик модифицированного дизельного топлива
Показатель Топливо ГОСТ 305-82 Топливо после модификации Изменение показателя, %
Влажность, % Следы Следы 0
Плотность при 20 °С, кг/м3 837,7 835,7 - 0,25
Температура вспышки, °С 81 72 - 11
Кинематическая вязкость, сСт 5,27 4,50 - 14,6
Стендовые испытания устройства МТ были выполнены на двигателе ЯМЗ-238 в сертифицированной испытательной лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого по методике, соответствующей ГОСТ 18509-88.
Сравнение нагрузочных характеристик двигателя ЯМЗ-238 на частоте вращения коленчатого вала 1400 об/мин без модификатора и с модификатором топлива приведено на рис. 1.
200 250 300 350 400
Круиншш момсш. Н • м
Рис. 1. Изменение удельного расхода топлива: 1 - без установки МТ; 2 - при установке МТ
После установки МТ на дизельных двигателях выявлено значительное улучшение основных экологических показателей. Зависимость дымности двигателя ЯМЗ-238 от нагрузки при 1400 об/мин приведена на рис. 2.
1,8 1,б 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
1 | 1 ! 1
2
150 200 250 300 350 КруишшП почни, Н • м
400
Рис. 2. Изменение дымности выхлопных газов двигателя: 1 - без установки МТ; 2 - при установке МТ
Для анализа эффекта молекулярной модификации топлива проведена оценка изменения основных параметров двигателя после установки устройства. Усреднение параметров проводилось по двадцати режимам испытаний. Результаты анализа приведены в табл. 2.
Таблица 2
Изменение параметров двигателя при установке устройства МТ
Параметр сравнения Расход топлива Эффективность КПД СО СН NOx Дымность
Отклонение, % - 6,2 + 6,2 - 5,4 - 6,8 + 5,3 - 24,0
В ходе стендовых испытаний выявлено положительное влияние МТ на расход топлива, эффективный КПД двигателя, а также на содержание в отработавших газах твердых частиц. Незначительный рост содержания в отработавших газах оксидов азота NOx подтверждает факт активизации процесса сгорания топлива [5]. Уменьшение расхода топлива на 6,2 % требует также уменьшения необходимого количества воздуха для его сжигания, поэтому относительный общий (массовый) выход оксидов азота остается практически неизменным.
Модификаторы топлива были испытаны на вспомогательных двигателях 6ЧСПН-18/22, работающих в составе судовой электроэнергетической установки. Результаты испытаний этих двигателей с устройством МТ приведены в табл. 3.
Таблица 3
Изменение параметров судового дизель-генератора 6ЧСПН-18/22 при работе с МТ
Измеряемые параметры Нагрузка кВт
в штатном режиме эксплуатации при включенном МТ
45 75 100 45 75 100
Расход топлива, кг/ч 17,59 22,95 30,16 15,04 20,5 25,07
Уменьшение расхода, % - 14,5 10,7 16,9
Давление воздуха в компрессоре, кг/см2 0,2 0,25 0,3 0,15 0,25 0,3
Качество вырабатываемой электроэнергии, Гц 49,2 49,3 49,1 49,9 49,9 49,9
Устройства молекулярной модификации топлива получили сертификат соответствия Рос-стандарта и типовое одобрение Российского морского регистра судоходства. На рис. 3 показаны устройства МТ для различных двигателей. Мощность, потребляемая устройствами, не превышает 5 Вт.
Рис. 3. Внешний вид различных модификаторов топлива
Испытания энергетических установок, работающих на легком и тяжелом жидком углеводородном топливе, продемонстрировали, что молекулярная модификация приводит к уменьшению удельного расхода и улучшению качества сгорания топлива. Полученные результаты применимы и для дизельных двигателей морских судов, работающих на флотском мазуте, который представляет собой промежуточную между мазутом и дизельным топливом смесь углеводородов. Так, МТ был установлен на главном двигателе морского судна «ВаШс Moon» в качестве пилотного проекта. Среднесуточный расход топлива - около 30 т. После включения в работу МТ было зафиксиро-
вано следующее: мощность двигателя увеличилась на 3,3 %, обороты турбины выросли на 100 об/мин, а давление наддува выросло на 0,05 кгс/см2, при этом частота вращения гребного вала увеличилась на 1 об/мин, скорость судна увеличилась на 0,1 узла, что сократило среднее время рейса на 12 ч. Следовательно, экономия топлива за рейс составила около 15 т.
Работа МТ была проверена на судне «Pride» (танкер-суэцмакс), предназначенном для перевозки сырой нефти. С целью более эффективного использования судового топлива на судне были модернизированы системы топливоподачи вспомогательного дизель-генератора № 1 DAIHATSU 6DL-24 мощностью 820 кВт и вспомогательного парового котла № 1 MITSUBISHI тип MAC производительностью 27500 кг/ч при давлении 16 кг/см2.
Получены следующие результаты: для парового котла - снижение расхода топлива на 5,6-7,0 %, а для дизель-генератора - на 4,5-5,0 %.
Результаты, полученные на судовом вспомогательном дизель-генераторе № 2 «MAN B&W 7L23/30» и на котле фирмы «Aalbord», тип «AQ-9», работающих на судовом топливе ИФ0-380, на судне «Натали» (танкер-суэцмакс), также подтверждают эффективность модификатора. Расход топлива снизился в среднем на 6,5 %.
Модификация топлива, приводящая к улучшению качества его сгорания в цилиндрах двигателей, позволяет увеличить ресурс их эксплуатации. Так, в частности, были выполнены ресурсные (80-часовые) испытания двигателя ВАЗ-2111, работающего на бензине, на стенде испытательной лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [6]. Точное взвешивание деталей двигателя после испытания показало уменьшение износа поверхностей трения и уменьшение загрязнений на внутренних его поверхностях - цилиндрах, поршнях, кольцах, свечах зажигания. Для проверки эффективности применения модификатора на тяжелых топливах он был установлен в систему питания обжиговой печи сушильного барабана СБ-11 на Оленегорском железорудном комбинате. На рис. 4 (слева) приведена фотография топки печи, сделанная сразу после остановки сушильного барабана. На фотографии зафиксирован процесс догорания битумов, скопившихся в топочном пространстве. На рис. 4 (справа) та же печь, остановленная после работы с МТ. Битумных отложений в топке нет и, следовательно, нет явления их догорания.
Рис. 4. Горение битумных отложений после остановки печи сушильного барабана (слева) и остановленная печь, работавшая с устройством МТ (справа)
Испытания МТ в составе котельных установок показали существенное уменьшение сажевых отложений, в особенности на поверхностях нагрева. Так, например, в котле ДКВр-10/13 после установки МТ общий объем сажевых отложений за период между чистками котла уменьшился с 5,0 м3 до 0,5 м3. В течение 20 суток непрерывной работы аэродинамическое сопротивление котла оставалось неизменным.
Заключение
Снижение дымности дизельного двигателя, работающего на легком топливе, и уменьшение сажевых отложений в камерах сгорания ДВС и в котлах позволяют сделать вывод о возможности увеличения межремонтного ресурса энергетических установок. Таким образом, технология молекулярной модификации углеводородного топлива может быть рекомендована для внедрения в транспортную энергетику с целью снижения себестоимости транспортного процесса.
Отметим области науки и техники, в которых использование технологии и устройств МТ могло бы стать перспективным:
- повышение технических характеристик и длительности эксплуатации энергоустановок, работающих на жидком углеводородном топливе;
- восстановление физических характеристик органических теплоносителей-замедлителей ядерных энергетических установок [7, 8];
- увеличение ресурса электрохимических генераторов, работающих на органических соединениях.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Пат. № 160069 РФ. Устройство обработки жидкого углеводородного топлива в энергетических установках / Анисимов С. П.; заяв. № 2015117702; ГР 08.02.2016.
2. 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.
3. Белый О. В., Искандеров Ю. М., Мурамович В. Г., Туев С. В., Анисимов П. Ф. О молекулярной модификации моторных топлив электрическим полем // Сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2010» (Санкт-Петербург, 07 октября 2010 г.). СПб.: ИПТ РАН, 2010. С. 11-25.
4. Мурамович В. Г. О взаимодействии электрических полей с углеводородами // Сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2011» (Санкт-Петербург, 22-23 ноября 2011 г.). СПб., 2011. С. 107-112.
5. Экспериментальное исследование влияния устройства «Молекулярный модификатор топлива (ММТ) на экономические и экологические показатели автомобильных двигателей»: отчет о НИР / Санкт-Петерб. гос. политехн. ун-т; руков. Галышев Ю. В.; исполн.: Шабанов А. Ю., Зайцев А. Б. СПб., 2011. 15 стр. № ГР 200301101.
6. Проведение длительных моторных испытаний устройства «Молекулярный модификатор топлива»: отчет о НИР / Санкт-Петерб. гос. политехн. ун-т; руков. Галышев Ю. В.; исполн.: Шабанов А. Ю., Зайцев А. Б. СПб., 2011. 25 стр. № ГР 140301101.
7. Каминский В. Ю., Мурамович В. Г. Применение молекулярных модификаторов для восстановления физико-химических характеристик органических теплоносителей // Инновации и инвестиции. 2014. № 3. С. 226-229.
8. Каминский В. Ю., Мурамович В. Г. Проблемы и перспективы использования органических жидкостей в мобильных ядерных энергоисточниках // Сб. ст. юбил. Междунар. науч.-практ. конф. «Транспорт России: проблемы и перспективы - 2015» (Санкт-Петербург, 24-25 ноября 2015 г.). СПб., 2015. Т. 2. С. 109-115.
Статья поступила в редакцию 08.06.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Анисимов Павел Федорович - Россия, 197341, Санкт-Петербург; ООО «ЭКОСИСТЕМЫ»; зам. генерального директора; [email protected].
P. F. Anisimov
REDUCING THE COST OF TRANSPORTATION BY SEA AND RIVER TRANSPORT BY REDUCING THE FUEL COMPONENT
Abstract. The article presents the results of experimental studies of the designed molecular modifiers of hydrocarbon fuel, allowing to reduce the costs of hydrocarbon fuels and improve environmental and resource characteristics of power installations of sea and river vessels. The data on benchmark test-
ing of internal combustion engines in petroleum fuel and boilers on heavy fuel with molecular modifiers of fuel are given. It is shown that on ships there can be a substantial diesel fuel savings. The prospects for using the molecular modifiers of fuel in various fields of engineering are considered.
Key words: molecular modifiers of fuel, hydrocarbon fuel, internal combustion engines, boilers, efficiency, ecological purity, resource of power installations.
REFERENCES
1. Anisimov S. P. Ustroistvo obrabotki zhidkogo uglevodorodnogo topliva v energeticheskikh ustanovkakh [Apparatus of processing liquid hydrocarbon fuel in power installations]. Patent RF no. 160069. 08.02.2016.
2. Belyi O. V., Iskanderov Iu. M., Muramovich V. G., Tuev S. V., Anisimov P. F. Uvelichenie energootdachi uglevodorodnykh topliv vozdeistviem na nikh peremennykh elektricheskikh polei [Increase in energy efficiency of hydrocarbon fuel under effect of variable electric fields]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2009, no. 3 (5), p. 58-65.
3. Belyi O. V., Iskanderov Iu. M., Muramovich V. G., Tuev S. V., Anisimov P. F. O molekuliarnoi modifi-katsii zhidkikh uglevodorodnykh topliv elektricheskimi poliami [On molecular modification of liquid hydrocarbon fuels with electric fields]. Sbornik trudov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Transport Rossii: prob-lemy iperspektivy - 2010» (Sankt-Peterburg, 07 oktiabria 2010g.). Saint-Petersburg, IPT RAN, 2010. Pp. 11-25.
4. Muramovich V. G. O vzaimodeistvii elektricheskikh polei s uglevodorodami [On correlation of electric fields with hydrocarbons]. Sbornik trudov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Transport Rossii: problemy i perspektivy - 2011» (Sankt-Peterburg, 22-23 noiabria 2011). Saint-Petersburg, 2011. Pp. 107-112.
5. Eksperimental'noe issledovanie vliianiia ustroistva «Molekuliarnyi modifikator topliva (MMT) na eko-nomicheskie i ekologicheskie pokazateli avtomobil'nykh dvigatelei»: otchet o NIR [Experimental study of effect of the apparatus "Molecular modifier of fuel on economic and ecological indicators of automobile engines": report on Scientific Research Work]. Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi politekhnicheskii universitet; ruko-voditel' Galyshev Iu. V.; ispolniteli: Shabanov A. Iu., Zaitsev A. B. SPb., 2011. 15 str. No. GR 200301101.
6. Provedenie dlitel'nykh motornykh ispytanii ustroistva «Molekuliarnyi modifikator topliva»: otchet o NIR [Carrying out the long-term motor tests of the apparatus "Molecular modifier of fuel": report on Scientific Research Work]. Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi politekhnicheskii universitet; rukovoditel' Galyshev Iu. V.; ispolniteli: Shabanov A. Iu., Zaitsev A. B. SPb., 2011. 25 str. No. GR 140301101.
7. Kaminskii V. Iu., Muramovich V. G. Primenenie molekuliarnykh modifikatorov dlia vosstanovleniia fiziko-khimicheskikh kharakteristik organicheskikh teplonositelei [Application of molecular modifiers for restoration of physical and chemical characteristics of organic heaters]. Innovatsii i investitsii, 2014, no. 3, pp. 226-229.
8. Kaminskii V. Iu., Muramovich V. G. Problemy i perspektivy ispol'zovaniia organicheskikh zhidkostei v mo-bil'nykh iadernykh energoistochnikakh [Problems and prospects of using organic liquids in mobile nuclear power sources]. Sbornik statei iubileinoi Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Transport Rossii: problemy iperspektivy - 2015» (Sankt-Peterburg, 24-25 noiabria 2015 g.). Saint-Petersburg, 2015, vol. 2. Pp. 109-115.
The article submitted to the editors 08.06.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Anisimov Pavel Fedorovich - Russia, 197341, Saint-Petersburg; Ltd "ECO-SYSTEMS"; Deputy General Director; [email protected].
