CC BY
75
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.431.36:662.758
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ М. В. КОКШАРОВ Н. В. ЖДАНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ В ДИЗЕЛЯХ
Проанализированы апробированные на практике и в опытах наиболее удачные технические и технологические решения проблемы топливоподготовки смесевых топлив как нефтяного происхождения, так и альтернативных (из ненефтяного сырья), позволяющие решать задачи уменьшения вредных выбросов при работе дизелей. Рассмотрены особенности конструкций смесительных устройств, предложены методики выбора и определения совместимости топлив с разными свойствами для создания эффективных смесей.
Ключевые слова: топливо, химмотология, топливные смеси, смесители, дизельные двигатели, альтернативное топливо.
Введение. В настоящее время в России ежегод- торных топлив на период до 2040 — 2050 гг. [1—4].
но потребляется около 100 млн т моторных топлив, В ближайшей перспективе ожидается увеличение
производимых из нефти. При этом транспорт яв- потребления нефтепродуктов, в том числе тяжелых
ляется одним из основных потребителей нефте- нефтяных как более дешевых, при примерно по-
продуктов и останется главным потребителем мо- стоянных объемах их производства, нарастающий
Рис. 1. Конструкция вихревого смесителя с резонатором: 1 — штуцер менее вязкого топлива; 2 — корпус;
3 — штуцер более вязкого топлива; 4 — головка гомогенизирующая; 5 — резонатор; 6 — тангенциальные каналы; 7 — полость
дефицит моторных топлив из нефти и дальнейшее загрязнение окружающей среды от работы ДВС [1, 2].
Способы кавитационной обработки топлива.
Наиболее распространенным и широко применяемым на судах способом обработки тяжелого топлива является гидродинамический, при котором сначала происходит сжатие топлива до высокого давления, а затем — мгновенное расширение в гомогенизирующей головке аппарата, в которой и возникают кавитационные явления сразу же после истечения топлива [2, 4—11].
Так как тяжелое топливо представляет собой смесь низко- и высокомолекулярных углеводородов, то при истечении его из гомогенизирующей головки с большой скоростью происходит разделение легких и тяжелых молекул. Обладающие меньшей кинетической энергией легкие молекулы будут отклоняться к периферии потока, а тяжелые — к его оси. Такое разделение молекул нежелательно, поскольку кавитационные зоны образуются в основном по периферии истекающей топливной струи.
Можно добиться устранения этого недостатка и обеспечить возникновение кавитационных зон по всему выходному сечению топливной струи [11]. Клапанные гомогенизаторы нашли широкое применение в различных областях техники [2, 6, 9, 11].
Гидродинамическая обработка топлива разрушает структурные системы и распределяет их в топливной среде. Глобулы воды легко разбиваются на мельчайшие частички (3 — 5 мкм) при сравнительно невысоких давлениях.
Значительно улучшить структуру топливной смеси можно, используя различного рода смесительные устройства, например, гомогенизаторы-смесители статического и динамического типа.
В статическом смесителе потоки смешиваемых топлив делятся на отдельные струи, перемешивание которых происходит при изменении направления их движения [2, 11]. Динамические смесители обеспечивают более высокую гомогенность и меньшую вероятность потери стабильности смеси [11].
Ультразвуковые гомогенизаторы и смесители. Ультразвуковые гомогенизаторы в отличие от клапанных используют значительно меньший перепад давлений. В них достаточно обеспечить 0,4 — 0,8 МПа. При прохождении топлива через неподвижные каналы различных конфигураций (цилиндрические тангенциально расположенные каналы, каналы
в виде спирали Архимеда и др.) поток срывается с кромок среза, генерируя при этом упругие колебания, способствующие гомогенизации.
Смеситель вихревой с резонатором. Доработанная нами конструкция такого смесителя приведена на рис. 1. Аппарат состоит из корпуса 2, в который ввернуты штуцеры 1 и 3. Внутри корпуса размещена гомогенизирующая головка с тангенциальными каналами а. Жидкость под давлением 0,3 — 0,5 МПа поступает через штуцер 1 к тангенциальным каналам а, откуда истекает в полость б гомогенизирующей головки 4, где из-за столкновения струй и их завихрения эжектирует жидкость, поступающую через штуцер 3, и интенсивно перемешивается с ней. В полости б, вследствие истечения топлива и его завихрения генерируются упругие колебания, способствующие диспергированию топлива. Для усиления эффекта гомогенизации на выходе из гомогенизирующей головки установлен резонатор 5, который усиливает возникающие упругие колебания в потоке топлива. В рассмотренном аппарате, с одной стороны, происходит хорошее смешение топлив, а с другой — их гомогенизация.
На речном флоте для смешения дизельного и более тяжелого (преимущественно по фракционному составу, вязкости, плотности, сжимаемости и др.) применяется ультразвуковой гидродинамический смеситель-дозатор типа УЗГС-5000, принцип действия которого основан на способе генерации колебаний звуковых и ультразвуковых частот в потоках жидкости (по авторскому свидетельству № 313574 (СССР). Устройство смешивает различные нефтепродукты в любых заданных пропорциях. В результате ультразвуковой кавитационной обработки образуются гомогенные стабильные топливные смеси [1, 3, 11].
Дозировка дизельного и тяжелого топлив в смесителе осуществляется посредством регулируемых проходных сечений между корпусами резонаторов первой и второй ступени с промежуточным резонатором. Резонаторы перемещаются вдоль смесителя при вращении рукоятки дозирующего устройства [1, 3, 11].
Метод проверки топливных смесей на стабильность и совместимость [5, 6]. Проверка топлива или топливных смесей на стабильность может быть проведена через определение общего содержания осадка с применением метода горячей фильтрации [6]. Пробу топлива подвергают старению путем нагревания в течение 24 часов при 100 0С, в ходе которого из топлива интенсивно выпадают в осадок находящиеся в нем асфальтены. Затем пробу пропускают через фильтр, все задержанные фильтром компоненты взвешивают и оценивают в процентном отношении. В дистиллатных топливах осадок должен отсутствовать или, по крайней мере, не превышать уровня 0,05 %, в остальных случаях — не превышать уровня 0,1 %. В противном случае топливо признается нестабильным. Метод дает достаточно точные результаты. Однако, он может быть, использован только в лаборатории.
Проверка топливных смесей на совместимость методом «пятна». Метод «пятна» связан с оценкой свойств приготовленной смеси по внешнему виду пятна, полученного нанесением капли топлива на белую фильтровальную бумагу [5, 6]. Предварительно смесь нагревают до 60 0С и выдерживают при этой температуре в течение 15 — 20 мин. После нанесения пипеткой порции (капли) смеси на поверхность белой фильтровальной бумаги уже
Рис. 2. Схема вязкостного корректора ЦНИТА 1 — клапан; 2 — концентрическая щель; 3 — поршень; 4 — клиновой механизм; 5 — регулятор упора рейки; 6 — междроссельная полость; 7 — отверстие с иглой
просохшее пятно сравнивают с эталонными пятнами. Пятна, имеющие более или менее однородную окраску, свидетельствуют о совместимости смеси.
Таким образом, стабильность смесей высоковязких моторных нефтяных топлив с маловязкими определяется, главным образом, групповым химическим составом исходных топлив [5]:
— смеси топлив, не содержащих асфальтенов, не подвержены расслоению и являются термодинамически устойчивыми системами;
— расслоение топливной смеси может быть следствием нарушения агрегативной устойчивости асфальтенов вследствие превышения десольватиру-ющего действия алкано-циклановых углеводородов над сольватирующим действием смол и ароматических углеводородов;
— большей совместимостью отличаются вязкие ароматизированные смолистые и маловязкие топлива, содержащие минимальное количество алка-но-циклановых углеводородов;
— стабильность смесей вязких топлив с маловязкими дистиллатными повышается с сокращением доли последних;
— с повышением температуры смешения совместимость топлив возрастает;
— на процессы коагуляции асфальтенов и седиментации образовавшейся гетерогенной фазы при смешении топлив, в зависимости от их химического группового состава и соотношения в смеси, обычно затрачивается от нескольких часов до нескольких суток;
— прекращения процесса коагуляции и повышения дисперсности асфальтенов можно достичь путем увеличения доли вязкого топлива в смеси и наоборот.
Технические решения и рекомендации. При
переходе с одного вида топлива на другой изменение мощности дизеля при работе по внешней характеристике достигает 15 — 25 %. Для стабилизации характеристик применяют автоматические вязкост-
ные корректоры, обеспечивающие постоянство массовой цикловой подачи топлива при переходе с дизельного топлива на бензин, керосин или их смеси [4, 11].
На рис. 2 представлена схема вязкостного корректора конструкции ЦНИТА [12]. Для стабилизации характеристик при изменении давления в топливной системе на входе в корректор установлен клапан постоянного перепада 1. В качестве элемента, чувствительного к изменению вязкости, используется дроссель в виде концентрической щели, в которой обеспечивается ламинарный режим течения топлива. В другом дросселирующем элементе, выполненном в виде отверстия в тонкой пластинке 7 с регулирующей иглой, обеспечивается турбулентный режим течения в области автомодельности. Изменение давления топлива в междроссельной полости 6 вызывает перемещение поршня 3, связанного с клиновым механизмом 4 и узлом регулирования упора рейки топливного насоса 5. Давление топлива в междроссельной полости над поршнем уравновешивается усилием пружины. Топливо для корректора отбирается из системы подачи топлива после фильтра, тонкой очистки и проходит последовательно через клапан постоянного перепада, концентрическую щель, междроссельную полость, дроссель с регулирующей иглой и далее сливается в бак.
При переходе на менее вязкое топливо (или при повышении температуры топлива) давление в междроссельной полости возрастает, поршень, сжимая пружину, перемещает клиновой механизм и упор рейки топливного насоса в положение увеличенной цикловой подачи соответственно с изменением вязкости.
Основные технические характеристики корректора ЦНИТА следующие [12]:
— давление топлива на входе — 0,27 — 0,45 МПа;
— максимальное перемещение упора рейки — 1,5 мм;
— рабочий диапазон температур топлива — 20-60 0С;
— вязкость топлива — 0,5-2 сСт;
— максимальный расход топлива через корректор — 18 л/ч.
Повысить стабильность топливных смесей можно следующими способами: использовать смеси оптимального компонентного состава; деасфальти-зировать исходное вязкое топливо; использовать стабилизирующие высокоароматизированные присадки; использовать высокоэффективные смесители.
Для судовых условий наиболее приемлемое решение — установка высокоэффективных смесителей [2-5]. Выяснено, что лучший способ повышения стабильности топливных смесей — готовить их в условиях процесса кавитации потока.
Одним из самых перспективных и экологически чистых альтернативных топлив для дизелей является диметиловый эфир (ДМЭ) [1, 4, 5].
Наиболее сложной задачей при использовании ДМЭ и других маловязких топлив в дизелях является организация процесса топливоподачи таким образом, чтобы сохранялись проектные характеристики дизеля. В этом направлении использование смесей ДМЭ и стандартного дизельного топлива является перспективным направлением [1, 7].
Процесс подачи ДМЭ и образование смесевого топлива осуществляется следующим образом (рис. 3): ДМЭ из бака подается к двигателю под давлением 1,0-1,5 МПа, создаваемым сжатым азотом. Наддув
Рис. 3. Система смешения и подачи в дизельном двигателе дизельного топлива и диметилового эфира: 1 — бак дизельного топлива; 2 — баллон с ДМЭ; 3 — клапаны электромагнитные; 4 — клапан импульсной подпитки; 5 — форсунка дизельная; 6 — топливный насос высокого давления (ТНВД) для дизельного топлива; 7 — насос топливоподкачивающий дизельного топлива
Рис. 4. Схема устройства компенсатора плотности топлива: 1 — рычаг; 2 — щель; 3, 4 и 10 — каналы; 5 — золотник; 6 — полость компенсатора; 7 — отверстие; 8 — игла; 9 — ограничитель; 11 — рейка
баллона с ДМЭ азотом позволяет сохранить избыточное давление приблизительно на одном уровне в процессе потребления ДМЭ, исключить вероятность образования паровых пробок и прекращения работы дизеля.
В разработанной системе топливоподачи ДМЭ, пройдя через электромагнитный клапан отсечки подачи, поступает к топливной рампе и к клапанам импульсной подпитки (КИП). Смешение ДМЭ с дизельным топливом осуществляется в КИП, через которые происходит многократное всасывание ДМЭ в трубопроводы высокого давления после закрытия иглы форсунки в условиях затухающего волнового процесса изменения давления топлива в трубопроводе. Схема подачи ДМЭ в линию высокого давления с помощью КИП была предложена и апробирована для широкого круга задач (в том числе для подачи сжиженных газов) профессором РУДН Патрахальцевым Н. Н. [4, 5]. Применительно к ДМЭ такая работа в МГТУ проводилась путем проведения расчетных и экспериментальных исследований (на безмоторном стенде).
Включение в топливоподающую систему клапана импульсной подачи позволяет демпфировать волновой процесс в нагнетательном трубопроводе (уменьшать амплитуду колебаний давления перед форсункой рф0рс).
Продолжая развитие многотопливных двигателей Континенталь ЬБ8-427, AWDS-1790 и др. с М-процессом, американская фирма «Континен-таль» применила автоматический компенсатор изменения максимальной мощности двигателя в зависимости от плотности (вязкости) топлива (рис. 4). Это позволяет обеспечить номинальную мощность двигателя при работе на любых топливах [3].
Топливо к компенсатору подается через канал 4 под давлением 1,8 — 4,0 кгс/см2 от подкачивающего насоса, нагнетающего топливо одновременно и в топливный насос высокого давления. Имеющийся золотник 5 обеспечивает на всех режимах работы двигателя постоянное давление при данном сорте топлива. Топливо под постоянным давлением направляется через канал 3, щель 2 и отверстие 7. Сечение отверстия 7 с острыми краями можно регулировать конической иглой 8. Щель 2 — образованный между корпусом и поршнем зазор —
является чувствительным элементом к вязкости топлива. В зависимости от вязкости топлива в полости б устанавливается различное давление, в соответствии с этим меняется и положение штока, связанного с коническим ограничителем 9 рейки 11 топливного насоса через рычаг 1. Через канал 10 отводится топливо, просочившееся через неплотности штока поршня.
Выводы.
1. Опытная эксплуатация и проведенные эксперименты показали [1—3, 7—10], что весовая производительность топливной системы дизеля на сжиженном газе, ДМЭ, спиртах, бензинах, маловязких ГК и других легких топливах по сравнению с производительностью на дизельном топливе уменьшается в среднем до 50 %.
2. Для сохранения постоянной номинальной мощности серийного дизеля на топливах малой вязкости необходимо увеличить производительность топливного насоса высокого давления [1—3, 8] за счет его перерегулировки (увеличения угла опережения впрыска, снижения усилия затяга пружины форсунки, если имеется запас по активному ходу плунжера), или путем замены серийных плунжерных пар парами большего диаметра, значение которого можно определить соответствующим расчетом [10, 12-14].
3. При использовании в дизелях смесей легких и тяжелых топлив целесообразно применение эффективных схем смешения и устройств, корректирующих вязкость, плотность и сжимаемость топлива, с целью приближения названных параметров топлива к таковым для топлива по ГОСТ 305-82.
Библиографический список
1. Ведрученко, В. Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей : моногр. [Текст] / В. Р. Ведрученко, И. И. Малахов. — Омск : Омский ин-т водного транспорта (филиал) НГАВТ, 2012. — 173 с.
2. Ведрученко, В. Р. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях. Ч. 1. [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов, М. В. Кульков // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2010. — № 2 (90). — С. 157 — 162.
3. Ведрученко, В. Р. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях. Ч. 2. [Текст] / В. Р. Ведрученко,
B. В. Крайнов, Н. В. Жданов, М. В. Кульков // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2010. -№ 2 (90). - С. 138-143.
4. Селиверстов, В. М. Экономия топлива на речном флоте [Текст] / В. М. Селиверстов, М. И. Браславский. - М. : Транспорт, 1983. - 231 с.
5. Возницкий, И. В. Практика использования морских топлив на судах : учеб. пособие [Текст] / И. В. Возницкий. -СПб. : ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2005. - 124 с. - Сер. Библиотека судового механика.
6. Марков, С. В. Нефтяные топлива энергетических установок морских судов : учеб. пособие [Текст] / С. В. Марков, Н. Л. Троеглазова. - Новороссийск : Изд-во ГМА, 2004. -122 с.
7. Камкин, С. В. Эксплуатация судовых дизелей [Текст] /
C. В. Камкин, И. В. Возницкий, В. П. Шмелев. - М. : Транспорт. - 1990. - 344 с.
8. Большаков, В. Ф. Подготовка топлив и масел [Текст] / В. Ф. Большаков, Л. Г. Гинзбург. - Л. : Судостроение, 1978. -152 с.
9. Фомин, Ю. Я. Применение тяжелых топлив в судовых дизелях [Текст] / Ю. Я. Фомин, Э. М. Половинка, В. И. Шесто-палов. - М. : Транспорт, 1971. - 192 с.
10. Семенов, Б. Л. Применение сжиженного газа в судовых дизелях [Текст] / Б. Н. Семенов. - Л. : Судостроение, 1969. - 176 с.
11. Зубрилов, С. П. Ультразвуковая кавитационная обработка топлив на судах [Текст] / С. П. Зубрилов, В. М. Сели-
верстов, М. И. Браслевский. - Л. : Судостроение, 1988. -80 с.
12. Свиридов, Ю. Б. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей [Текст] / Ю. Б. Свиридов, Л. В. Малявинский, М. М. Вихерт. - Л. : Машиностроение, 1979. - 248 с.
13. Демьянов, Л. А. Многотопливные двигатели [Текст] / Л. А Демьянов, С. К. Сарафанов. - М. : Воениздат, 1968. -108 с.
14. Ведрученко, В. Р. Расчет процесса топливоподачи тепловозного дизеля на маловязких топливах [Текст] / В. Р. Ведру-ченко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов // Известия Транссиба. -2015. - № 2. - С. 68-72.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики.
КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.
КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. ЖДАНОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики. ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 13.01.2016 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
Книжная полка
Гуревич, В. Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса / В. Гуревич. - Вологда : Инфра-Инженерия, 2016. - 302 c. - ISBN 978-5-9729-0104-3.
В книге рассмотрены практические аспекты защиты электрооборудования подстанций на примере микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) и силовых трансформаторов от разрушительного воздействия электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва и других видов преднамеренных электромагнитных деструктивных воздействий, оборудование для производства которых интенсивно разрабатывают и совершенствуют в последние годы. Предложены различные технические решения и организационные мероприятия, направленные на повышение живучести подстанций.
Книга рассчитана на специалистов, занимающихся эксплуатацией электрооборудования на подстанциях, проектировщиков, производителей МУРЗ, руководителей отрасли, а также может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов, специализирующихся в области электроэнергетики.
Цуканов, В. Н. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство / В. Н. Цуканов, М. Я. Яковлев. - Вологда : Инфра-Инженерия, 2015. - 305 c. - ISBN 978-5-9729-0078-7.
Рассмотрена отечественная волоконно-оптическая компонентная база, предназначенная для жестких условий эксплуатации. Приведены основные технические характеристики, а также методы их измерения, оптических волокон, волоконно-оптических кабелей, оптических соединителей, объединителей, разветви-телей, переключателей, пассивных и активных волоконно-оптических линий задержки, дискретных передающих и приемных оптоэлектронных модулей, оптических трансиверов и ретрансляторов.
Предложены методы контроля параметров безотказности волоконно-оптических компонентов с учетом их принципиальных отличий от электронных компонентов.
Книга содержит практические рекомендации по построению традиционных и оригинальных цифровых волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), оптических концентраторов, коммутаторов, медиакон-верторов, автономных источников питания узлов подводных ВОСП, волоконно-оптических систем распределения СВЧ сигналов, волоконно-оптических фазовращателей, активных волоконно-оптических линий задержки, оптоэлектронных генераторов СВЧ диапазона, оптоэлектронных АЦП и ЦАП.
Книга рассчитана на широкий круг читателей: студентов, инженерно-технических работников, ученых, интересующихся данной тематикой и профессионально связанных с разработкой или эксплуатацией волоконно-оптической техники.
