автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Комплекс транспортно-складского и заправочного оборудования для обеспечения сельскохозяйственной техники смесевым биотопливом на основе рапсового масла

□□3465545

На правах руй>гтиси

Островский Евгений Александрович

КОМПЛЕКС ТРАНСПОРТНО-СКЛАДСКОГО И ЗАПРАВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ СМЕСЕВЫМ БИОТОПЛИВОМ НА ОСНОВЕ РАПСОВОГО МАСЛА

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о ^ ' " "3 и I.. 1-.1 I---

Москва 2009

003465545

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении профессионального высшего образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коваленко Всеволод Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Девяннн Сергей Николаевич кандидат технических наук Голсницкий Андрей Иванович

Ведущая организация

ГНЦ РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт»

Защита состоится 20 апреля 2009г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д220.044.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П.Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «_/£_» марта_2009г. и размещен на сайте ФГОУ

ВПО МГАУ www.msau.ni « /3 » марта 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета. Доктор технических наук, профессор

А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальное!!, темы

Широкое использование нефтяных топлив при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и тепловых энергетических установок приводит к зшрязиению атмосферы продуктами сгорания этих топлив, к загрязнению почвы и гидросферы при их проливах и подтеканиях, к возникновению в атмосфере парникового эффекта, вызывающего глобальное потеплеиие и связанные с этим непредсказуемые изменения климата. В то же время происходит снижение разведанных мировых запасов нефти наряду с увеличением потребления моторных топлив и повышением спроса на нефтяное сырье для химической промышленности.

Ухудшение экологической обстановки и трудности экономического характера вызывают необходимость использования альтернативных топлив, не уступающих нефтяным тошшвам по эксплуатационным показателям, но имеющих более высокие экологические свойства и обладающих возобновляемыми сырьевыми ресурсами. К таким продуктам относится смесевое биотопливо на основе рапсового масла, проблема использования которого при эксплуатации двигателей успешно решается; однако вопросы, связанные с транспортированием, хранением этого продукта и с заправкой им техники требуют скорейшего решения. Поэтому теоретическое обоснование и разработка комплекса технических средств для осуществления транспортно-складских и заправочных операций со смесевым биотопливом является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в обеспечении транспортао-складских и заправочных операций при использовании смесевого биотоплива в сельскохозяйственном производстве за счет применения эффективного технологического оборудования.

Объектом исследования служат технические средства хранения, транспортирования и заправки для биотоплива.

Предметом исследования является процесс транспортирования, хранения и заправки при использовании биотоплива в ходе эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Методы исследования включают физической и математическое моделирование рассматриваемых процессов, лабораторные эксперименты и натурные испытания.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании конструкции оригинальных технических средств для операций с биотопливом, включающем:

разработку математической модели процесса фильтрования жидкости через пористую перегородку конической формы;

разработку физической модели процесса подогрева вязкой жидкости при использовании локального подогревателя с проницаемым экраном;

разработку физических моделей процессов контроля чистоты жидкости турбодинамическим методом с фотоколорометрической регистрацией и экспресс-методом с использованием эффекта обтекания;

нахождение расчетных математических зависимостей для проектирования смесительных устройств при получении смесевого биотоплива - якорной мешалки и струйного смесителя;

а также в экспериментальном подтверждении эффективности применения этих средств при операциях со смесевым биотопливом.

Практическая полезность работы заключается в конструктивной разработке комплекса средств хранения, заправки и очистки биотоплива и в выдаче рекомендаций по использованию этого комплекса при эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертации докладывались на Международной научно-1 трактическо й конференции «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК», М., 2007г; на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в АПК», М., 2007г; на Международных научно-практических

конференциях «Научные проблемы развития автомобильного транспорта», М., 2008г и 2009г.; на II Международной научно-технической конференции «Проблемы разработки, производства, оценки соответствия и применения ГСМ и технических средств нефтепродуктообсспечения», М., 2008г; на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей, СПб., 2009г; на Международной научно-практической конференции «Инновации в образовании и науке», М., 2009г.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГАУ, 2006 и 2007гг.

Публикации Результаты исследований опубликованы в 10 научных статьях.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из наименований и приложений. Работа включает страниц основного текста, в том числе таблиц, рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации и изложение основных положений, выносимых на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач исследования» на основании литературных источников рассмотрены физико-химические свойства рапсового масла и их влияние на операции с этим продуктом в условиях эксплуатации сельскохозяйствешюй техники. Показано, что использование смесевого биотоплива на основе рапсового масла является перспективным направлением в деле обеспечения техники альтернативным топливом с высокими экологическими и экономическими показателями, однако если проблема эксплуатации дизелей с применением биотоплива успешно решаегся благодаря работам С.Н. Девянина, О.И. Жигалина, А.Ю. Евдокимова, Н.В. Краснощехова, Е.Г. Пономарева, Г.С. Савельева, И.Г. Фукса и многих других ученых, то вопросы, связанные с транспортированием, хранением биотоплива и заправкой техники до настоящего времени не решены.

Определен перечень и основные параметры технических средств, подлежащих разработке для обеспечения операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом на его основе. Комплекс таких средств должен включать оборудование для очистки указанных продуктов и их подогрева, для смешивания компонентов смесевого биотоплива, для оперативного контроля одного из основных качества топлив - их чистоты.

Изучены результаты исследований влияния загрязненности топлива на работу топливной аппаратуры и цшпшдропоршневой группы дизелей, рассмотрены современные методы очистки топлива и показано, что наиболее эффективным методом в данном случае является фильтрование. Рассмотрены также требования к фильтрующим материалам и установлено, что согласно литературным данным, существенные преимущества имеют высокопористые полимерные материалы с пространственно-глобулярной структурой (ПГС-полимеры).

Высокая вязкость рапсового масла и приготовленного на его основе смесевого биотоплива обуславливает необходимость подогрева этих продуктов. Рассмотрены современные методы подогрева вязких жидкостей, применяемые в технике, и показано, что наиболее перспективными для подогрева рапсового масла и смесевого биотоплива являются локальные подогреватели экранного типа.

Рассмотрены применяемые в настоящее время конструкции оборудования для смешивания жидкостей, как заблаговременно, путем механического перемешивания, так и в специальных устройствах непосредственно перед заправкой техники. Установлено, что наиболее экономичным и достаточно эффективным способом приготовления биотоплива является заблаговременное смешивание его компонентов с помощью механических мешалок, однако в литературе отсутствуют данные о стабильности смесевого биотоплива при хранении, поэтому данный вопрос требует изучения.

В виду необходимости постоянного контроля загрязненности смесевого биотоплива критически рассмотрены существующие методы контроля чистоты топлив и

сделан вывод о необходимости разработки лабораторных и экспрессных методов определения этих показателей в условиях сельскохозяйственного производства.

На основании проведенного анализа сформулированы задачи, подлежащие решению в ходе настоящих исследований:

подтвердить целесообразность использования полимерных пористых материалов для очистки рапсового масла и смесевого биотоплива, провести теоретическое исследование этого процесса с разработкой его математической модели;

теоретически обосновать способ подогрева рапсового масла, разработать физическую модель и установить теплотехнические параметры этого процесса;

исследовать механизм функционирования устройств для смешивания рапсового масла и дизельного топлива при приготовлении смссевого биотоплива, разработать физические модели работы ути устройств и найти расчетные зависимости для их конструирования;

разработать лабораторный и экспрессный методы контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива;

экспериментально уточнить физико-химические показатели индивидуальных образцов рапсового масла и смесевого биотоплива на его основе;

исследовать стабильность смесевого биотоплива при продолжительном хранении; разработать технологическое оборудования для осуществления операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом, провести лабораторные исследования и стендовые испытания макетных образцов этого оборудования;

оценить экономическую эффективность предложенных технических решений и дать рекомендации по их использованию.

Во второй главе «Теоретическое обоснование методов и устройств для обеспечения операций со смесевым биотопливом на основе рапсового масла» рассмотрены результаты проведенных теоретических исследований, включающие: изучение с гидродинамических позиций процесса фильтрования исследуемой жидкости через пористые перегородки из ПГС-полимера и построение математической модели этого процесса; рассмотрение физических моделей лабораторного и экспрессного методов контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива; исследование теплофизических и гидродинамических явлений в процессе подогрева рапсового масла при использовании локального подогревателя и разработку физических моделей этого процесса; получение математических зависимостей, описывающих работу смесительных устройств для приготовления смесевого биотоплива.

Для повышения эффективности очистки рапсового масла и смесевого биотоплива обоснован выбор фильтра с двухступенчатым фильтроэлементом, первая ступень которого в форме цилиндра изготовлена из ПГС-полимера с размером пор 45мкм, а вторая ступень представляет собой пакет конических блоков, собранных в виде чечевицеобразных дисков из того же материала с размером пор 15мкм (рис.1), что позволяет обеспечить тонкость очистки жидкости 5мкм.

Была разработана математическая модель фильтрования жидкости через коническую перегородку (рис.2), включающая уравнения материального баланса, кинетики и гидродинамики процесса фильтрования:

(О

т.

(2)

Рис.1 Схема двухступенчатого фильтра: 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 -крышка; 4 - выходной патрубок; 5 - первая ступень фильтроэлемента; б - вторая ступень фильтроэлемента; 7 - конический блок второй ступени; 8 и 9 - цилиндрические выступы на блоке; 10 - центральное отверстие второй ступени; 11 - пружина; 12 и 13 - заглушки.

йР _ /Жф <15

К„

(3)

где И'., =

е

[Л + (к.„ + г)8Шв]

фиктивная скорость жидкости на входе в

пористую перегородку, м/с; (2 - пропускная способность перегородки, м /с; т3-количество загрязнений, задержанных в единице объема перегородки, г/м3, за время т, с; с - концентрация загрязнений в жидкости до пористой перегородки, г/м3; т/уд соответственно начальная и критическая (соответствующая выносу загрязнений) величина просветности перегородки; ¿„ - диаметр поры, м; р3 - средняя плотность загрязнений, г/м3; У„ -объем пористой перегородки, м3; ц - динамическая вязкость жидкости, Н с/м2; Кцо - коэффициент проницаемости перегородки в пачальный момент времени, м"2; Г1о и П - соответственно пористость перегородки в начальный момент и в момент времен)! Г, (остальные обозначения представлены на рис.2).

Рис.2. Схема пористой перегородки второй ступени фильтроэлемента; Я„ и Ле„ - соответственно наружный и внутренний радиусы пористой конической перегородки, м; г - радиус центрального отверстия в конической перегородке, м; 6п - толщина конической перегородки, м; /п и /,„ - соответственно длина наружной и внутренней образующих конической перегородки, м; йп и /7Вн — соответственно наружная и внутренняя высота конической перегородки, м; 6 - угол наклона конической перегородки, град; /?, 5, / и Л - переменные параметры (координаты) некоторого конического сечения перегородки, м.

С помощью найденных зависимостей (1), (2) и (3) можно определить основные эксплуатационные характеристики второй ступени фильтроэлемеита для очистки рапсового масла и смесевого биотоплива.

Для контроля чистоты жидкостей в лабораторных условиях выбран турбодинамический метод, основанный на свойстве частиц загрязнений различной величины осаждаться в жидкости с разной скоростью. Измерив скорость осаждения частицы, можно определить ее диаметр.

Г*7Г~ (4)

Vp-

-pjg

где 5 - диаметр частицы, мкм; W - скорость частицы, м/с; р и рс — соответственно плотность частицы и среды, кг/м3

Для регистрации скорости седиментации частиц целесообразно использовать фотоколориметрический способ, основанный на измерении оптической плотности среды по интенсивности проходящего через нее пучка света. Тогда поверхность всех частиц, диаметр которых меньше 5, равна:

s

J^Og/o-lg/,) (5)

о

где Jо и Jf, - соответственно интенсивность исходного (падающего) и прошедшего через контролируемую среду пучков свега, дм; к - константа светопоглащения, зависящая от свойств частиц загрязнений.

Taie как на практике не всегда возможно использовать для контроля чистоты топлива инструментальные методы, разработан экспресс-метод, основшшый на эффекте обтекания, возникающем в тонком слое текущей жидкости при наличии в ней частиц загрязнений. Этим методом можно качественно определять максимальный размер содержащихся в жидкости частиц. Для описания явления обтекания жидкостью твердых частиц использован метод конформных отображений. После упрощений уравпения, описывающие длину и угол волнового склона прыжка-волны, примут вид:

i =

^InFrArch (lO^T)

а0 = arctg

-(7.-l)V21nFr

¿о (6)

(7)

где: I - длина лба-прыжка волны, м; Р = У0/ - критерий Фру да; Уд — скорость невозмущенного потока, м/с; г], /й0- безразмерная глубина под вершиной волны; кд И И, - соответственно глубина невозмущенного потока и потока под вершиной волны, м; Оо - угол волнового склона лба прыжка-волны, град.

При условии а= Оо (где а - угол обтекания частицы), взаимосвязь между длиной волны и размером чаепщы можно выразить в табличной форме: Размер частицы, мкм: 5 10 20 30 40 Длина волны, мкм 20 40 81,3 126 154

Рис.3. Расчетная схема для определения длины волны при обтекании частицы потоком жидкости: 1 - частица; 2 - слой жидкости; 3 - прозрачная поверхность с углом наклона у.

Для снижения вязкости рапсового масла при складских операциях и при приготовлении смесевого биотоплива предложено использовать локальный подогреватель экранного типа с трубчатыми нагревательными элементами, устанавливаемый в горизонтальном резервуаре. Для обеспечения равномерного распределения температур па поверхности экрана его поперечное сечение выполнено в виде половины эллипсообразного овала Кассини (рис.4), а продольные оси нагревательных элементов совмещены с фокусами этой фигуры.

Рис.4. Эллипсообразный полуовал Кассини: апЬ- соответственно горизонтальная и вертикальная полуоси овала; с - расстояние между центром овала и фокусом; О - центр овала; и фокусы овала; М - произвольная точка на образующей овала; ^¡М ■ = 2с2.

В начальный период подогрева рапсового масла оно обладает малой подвижностью и для описания теплопередачи через его слой к экрану кондукцией получено уравнение

д = + (8)

2 к

где я - тепловой поток, Вт; К • коэффициент теплопроводности рапсового масла; Л1 - температурный напор (перепад температур) в подэкранном пространстве, град; Ь -длина экрана, м.

Геометрическая форма экрана обеспечивает изотермический характер теплового потока.

По мере снижения вязкости рапсового масла наступает второй период его подогрева - в подэкранном пространстве образуются конвективные токи и процесс тепло передачи осуществляется одновременно кондукцией и конвекцией; конвективная составляющая определяется по формуле:

q = О-Рнагр Лш^ - О (9)

где а - коэффициент теплоотдачи от нагревательных элементов к рапсовому маслу, Вт/м2'Град; Ёвагр-поверхность нагревательных элементов, м3; ^и и - соответсгвешю температура нагревательных элементов и рапсового масла, град.

Поскольку экран изготовлен из пористого материала с высокой теплопроводностью, в течение третьего периода подогрева масло, проходящее сквозь поры экрана, и масло над экраном, нагреваемое за счет теплопередачи кондуквдей, образуют на внешней поверхности экрана маловязкий пограничный слой, ограничешшй снизу этой поверхностью, а сверху - малоподвижным слоем масла с высокой вязкостью. Теплопередача через экран осуществляется путем кондукщш через материал экрана и конвекцией в его порах. Для учета второй составляющей этого процесса введено понятие эквивалентной теплопроводности экрана, характеризующейся коэффициентом теплопроводности Я,, а выражение описывающее удельный тепловой поток через экран, будет иметь вид:

1,=—.-г--I ) = ) Г1П1

*э [ ^ | ^ м в» м нар} \ м вы м нар}

«,» Л ат?

где ат и - коэффициенты теплопередачи соответственно от масла, находящегося в подэкранном пространстве, к внутренней стенке экрана, и от его внешней сгенки к маслу, находящемуся над экраном, Вт/м2-град; т и - температура масла соответственно в подэкрашюм пространстве и над экраном, град; к3 - толщина экрана, м; к - полный

коэффициент теплопередачи через экран, Вт/м2 град.

После подогрева рапсового масла до температуры, обеспечивающей его выдачу, наступает четвертый период процесса подогрева, сопровождающийся вынужденной конвекцией, возникающей в результате выкачки масла из под экранного пространства через приемную трубу (рис.5)

Рис.5. Схема работы подогревательного устройства при выдаче рапсового масла из резервуара: 1 - резервуар; 2 - приемная труба; 3 - экран; 4 - нагревательный элемент; 5 -подвижное (разогретое) масло; 6 - пограничный слой; 7 - малоподвижное (холодное) масло.

Пограничный стой масла на внешней поверхности экрана под влиянием разрежения в подэкранном пространстве начнет перемещаться по направлению к зазорам между нижней кромкой экрана и обечайкой резервуара, поступая в подэкранное пространство, а на поверхности экрана будет опускаться масло из лежащих выше слоев. Процесс будет продолжаться до опорожнения резервуара или остановки перекачки.

Уравнение теплового баланса процесса подогрева рапсового масла будет иметь

вид:

Смс„л = к, Гшгр (гт - г) ¿X - (г - нар) Л (11)

где См - количество рапсового масла в подэкранном пространстве, кг; с„ - удельная теплоемкость масла, Дж/кг-град; к^ - полный коэффициент теплопередачи от теплоносителя к рапсовому маслу, Вт/м2 град; /\,а1р - площадь нагревательных элементов, м2; - площадь поверхности экрана, м2; ?т - температура теплоносителя, град; / - текущая температура рапсового масла, град, в момент времени т.

Из выражения (10) можно получить основные показатели локального подогревателя - объем подэкранного пространства, площади поверхности экрана и нагревательных элементов, продолжительность подогрева масла до начала перекачки.

Для заблаговременного приготовления смесевого биотоплива в горизонтальных резервуарах оптимальным способом является механическое перемешивание компонентов топлива с помощью якорной мешалки, расчетная схема которой представлена на рис.б, а конструктивное исполнение - на рис.7.

Рис.6 Расчетная схема мешалки с круглым якорем

ь+

I

I/;/ ч/ !

Рис.7. Схема установки якорной мешалки в горизонтальном цилиндрическом резервуаре: Орез - диаметр резервуара; Он - наружный диаметр мешалки; Ь - высота мешалки; Ь - зазор между лопастью и стенкой резервуара; 1 - ширина лопасти

Рассмотрев силы, действующие на элемент поверхности мешалки, найдя точки приложения этих сил и проведя необходимые преобразования, получим:

Х--

(12)

где: n - мощность, затрачиваемая на вращение лопасти якорной мешалки, Вт; С = (0,2 0,3) коэффициент лобового сопротивления, м2; У=шх=шр5тф - скорость

перемещения элемента поверхности, м/с; р обозначения приведены на рис. 6).

плотность жидкости, кг/м , (остальные

Дтя якорной мешалки при а|=0 и ах=х/2 выбраны параметры элементов конструкции (рис. 7): Р„ = 0,90^,; Ь = 0,05 П^; А = 0,45ЬИ ; / = 0,06

Для смешивания компонентов смесевого биотоплива непосредственно в потоке целесообразно использовать аппарат струйного типа, в котором осуществляется процесс инжекции. Теоретические основы применения таких устройств для смешения жидкостей с различными физическими свойствами ранее не разрабатывались.

Принципиальная схема струйного смесителя приведена на рис.8. А

\

С,

\

1

1Ри. '.а

Л

Л

I-

>

1 I

гТГ

,-г '(■ 2

_ р">

17"

/

с»

в, р.

Рис.В. Принщшиальная схема струйного смесителя: А - рабочее сопло; Б -приемная камера; В - смесительная камера; Г - диффузор; б - массовый расход, кг/с; Р -давление, Па; V? - скорость потока жидкости, м/с; индексы «р», «и» и «см» относятся соответственно к параметрам рабочего потока жидкости (подаваемого через сопло), инжектируемого потока и потока смеси.

После математического описания работы струйного смесителя уравнение его характеристики примет вид:

АР« 4Р,

/р\ /смЬ

Рем /сяЗ

(13)

1,76 + 0,7—г2 Ри /иг

где: Арсм = рш - ри; Дрр = рр- ра - перепады давлений между потоками в струйном смесителе, Па; /р/, /д И/смз - площади сечений 1 - 1, 2 -2, и 3 -3, м2; и -коэффициент инжекции (выбранные соотношения объемов рапсового масла и дизельного топлива).

Вычисленные значения оптимальных соотношений между площадями сечений выхода из смесительной камеры и выхода из сопла в зависимости от коэффициента инжекции:

и 0 1 2 3 4 5 6 10

м«. 1,11 3,8 7,25 11,6 16,9 23,2 30,3 66,4

В третьей главе «Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований» рассмотрены методики определения физико-химических показателей рапсового масла и смесевого биотоплива, исследования стойкости конструкционных материалов при взаимодействии с этими продуктами, определения свойств ПГС-полимеров, используемых для их очистки, и определения теплотехнических показателей при их подогреве, а также методик проверки эффективности экспресс-меюда контроля чистоты этих продуктов.

Установлено, что из показателей рапсового масла следует определять кинематическую вязкость, кислотность, содержание механических примесей, гранулометрический состав загрязнений, содержание свободной воды, температуры помутнения, температуры застывания, содержания фактических смол. Приведены методики исследования этих показателей, а также описание модернизированного оборудования и приборов, применяемых при исследованиях.

При исследовании стабильности смесевого биотоплива в процессе продолжительного хранения предложено для оценки гомогенности этого продукта использовать показатель вязкости, так как различие в плотности его компонентов невелико.

Для определения коррозионного воздействия на металлы рапсового масла из смесевого биотоплива используются пластинки, изготовленные из конструкционной стали марки Ст.З без защитного покрытия и с защитным покрытием. Результаты испытаний определяются путем визуального осмотра пластинок и изменения их массы. Для определения стойкости неметаллических материалов к воздействию рапсового масла и смесевого биотоплива приготовляются образцы из резины и определялось изменение массы, объема и размеров этих образцов.

При лабораторных исследованиях свойств ПГС-полимеров определяется их гидравлическая характеристика, тонкость и полнота очистки рапсового масла из смесевого биотоплива от твердых часщц загрязнений и эффективность удаления из этих продуктов свободной воды, а также стойкость фильтрующих материалов к вымываемости компонентов и их совместимость с очищаемыми продуктами.

Определение теплотехнических показателей процесса подогрева рапсового масла осуществляется путем измерения температурных показателей, входящих в формулу (9), и продолжительности исследуемого процесса на модельной лабораторной установке, изготовленной с соблюдением законов подобия гидромеханических и тепловых явлений.

Проверка эффективности экспресс-метода контроля чистоты проводапся с использованием искусственного загрязнителя, однородного по химическому составу и форме частиц, путем визуального просмотра приготовлешюй суспензии в неподвижном состоянии и в потоке.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования процессов и оборудования, применяемого при складских и заправочных операциях со смесевым топливом» приводятся результаты исследований физико-химических свойств рапсового масла и биотоплива, совместимости данных продуктов с конструкционными материалами, прочностных и эксплуатационных свойств ПГС - полимеров, стабильности смесевого биотоплива при продолжительном хранении, процессе подогрева рапсового масла с помощью локального нагревателя, эффективности экспресс-метода контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива.

Необходимость исследования физико-химических свойств индивидуальных образцов смесевого топлива и его компонентов обусловлена широкими пределами изменения этих показателей у товарных рапсового масла и дизельного топлива. Уточнялись физико-химические показатели указашшх продуктов, оказывающие влияние на те процессы, которые протекают при осуществлении транспортно-складских и заправочных операций. Так, плотность и вязкость смесевого биотоплива и его компонентов определялась в диапазоне от 20 до 70° С.

Исследования совместимости смесевого биотоплива и его компонентов с конструкционными материалами показали, что взаимодействие этих продуктов с фильтрационными материалами на основе ПГС-полимеров не вызвало изменений физико-химических свойств смесевого биотоплива и его компонентов, а также изменений массы и прочностных показателей ПГС-полимеров. При контактировании с указанными продуктами образцов, изготовленных из конструкционной стали Ст.З, изменений внешнего вида, массы и размеров образцов также не обнаружено. При исследовании влияния смесевого биотоплива и его компонентов на защитное покрытие из топливостойкой фенольноалкидной эмали ФА 5278 установлено, что это покрытие является стойким к исходным компонентам смесевого биотоплива - рапсовому маслу и дизельному топливу, но при контактировании с биотопливом происходит вспучивание и частичное разрушение покрытия, причем наблюдается увеличение этих повреждений с повышением содержания в смесевом биотопливе рапсового масла.

При контактировании смесового биотоплива и его компонентов с маслобензостойкой резиной Н068-2 наблюдается изменение массы образцов, вначале в сторону уменьшения (вследствие вымывания из резины составляющих ее веществ), а затем в сторону увеличения (вследствие набухания резины).

Резудыаш лабораторных исследований прочностных свойств ПГС-полимеров показали, что эти материалы по прочности га разрыв и сжатие соответствуют требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам для очистки нефтепродуктов. Данные о эксплуатационных свойствах ПГС-полимеров приведены в табл.1.

Таблица 1 - Эксплуатационные свойства ПГС-полимеров

Композиция материала Удельная пропускная способность, з, г м /м -ч Воздухопро ницаемость, м3/м2-ч Тонкость . фильтрования, мкм Полнота фильтрования, %

абсолютная номинальная

Р+Ф (15 мкм) 24,9 1962 10 5 95 .

К+Ф (15 мкм) 9,6 756,2 10 5 93

Р+Ф (45 мкм) 61,3 5981 20 15 97

К+Ф (45 мкм) 18,3 2077 20 15 92

Условные обозначения: Р+Ф - резорцин + формальдегид; К+Ф - карбомид + формальдегид; цифра в скобках - размер пор.

Проверка стабильности смесевого биотоплива проводилась путем исследования его образцов, полученных двумя способами: механическим смешиванием исходных компонентов и обработкой смеси СВЧ-генератором. В качестве показателя, характеризующего гомогенность продукта, принята его вязкость, которая определялась по истечении 30 и 100 сут. хранения. Результаты приведены в табл.2.

Таблица 2 - Вязкость смесевого биотоплива в условиях продолжительного хранения.

Способ приготовления образца Значение вязкости, мм2/с

исходное через 30 сут. через 100 сут.

верх низ верх низ разница, % верх низ разница, %

Механическое перемешивание 7,7 7,7 7,7 7,7 0 8,0 8,25 3

СВЧ-обработка 7,87 7,87 7,87 7,87 0 8,04 8,14 1,4

Из приведегшых данных видно, что при хранении в течение 30 суг. гомогенность смесевого биотоплива не претерпевает изменений, а после хранения в течение 100 сут. наблюдается незначительная разница значений вязкости в верхней и нижней точках сосуда высотой 400 мм, что практически не оказывает влияния на эксплуатационные свойства смесевого биотоплива

При проверке эффективности экспресс-метода контроля чистоты исследуемых продуктов установлено, что использование эффекта обтекания частиц жидкостью позволяет обнаружить наличие в ней частиц размером 10 мкм, в то время, как визуальный просмотр неподвижной жидкости дает возможность фиксировать в ней частицы размером более 50 мкм.

Проверка эффективности подогрева рапсового масла в макетном резервуаре включала нагрев жидкости без экрана, с установкой сплошного экрана из алюминиевого листа толщиной 1 мм в форме кругового полуцилиндра, и с использованием проницаемого экрана из никелевой сетки № 80/720, установленного на каркасе, имеющем поперечное сечение в форме полуовала Кассини. Испытания показали, что использование

протщаемого экрана указанной формы повышает скорость опорожнения резервуара по сравнению с применением сплошного экрана в 1,7 раза и, по сравнению с нагревом продукта без экрана - в 5 раз.

В пятой главе «Разработка технологического оборудования для операций со смесевым биотопливом и оценка технико-экономической эффективности его применения» рассматривается конструкция оборудования, спроектированного для операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом на его основе, дается технико-экономическая оценка предложенных технических решений.

Для очистки рапсового масла разработан фильтр с двухступенчатым фильтроэлементом с пропускной способностью 4 м3/ч и номинальной тонкостью фильтрования 5 мкм.

Для хранения рапсового масла и его нагрева предложено использовать серийно выпускаемый алюминиевый резервуар РА-2 вместимостью 2 м3, дополнительно оборудованный проницаемым экраном и двумя паровыми трубчатыми подогревателями типа «труба в трубе», продольные оси которых размещены в фиксированных фокусах поперечного сечения экрана, имеющего форму половины эллипсовидного овала Кассиии.

Для приготовления смесевого биотошшва целесообразно также использовать резервуар РА-2, оборудовав его якорной мешалкой с наружным радиусом 540 мм и внутренним радиусом 490 мм. В качестве привода мешалки выбран электродвигатель 4А71Б8УЗ, мощностью 0,25 кВт и частотой вращения 680 мин'1, соединенный с валом мешалки через червячный редуктор 4-50 с передаточным числом 16.

Для приготовления смесевого биотоплива можно также использовать установку для СВЧ-обработки масея, разработанную ООО «Вига Инвест», которая позволяет осуществлять смешение компонентов за 2-3 мин при потребляемой мощности 5 кВт (при работе установки в проточном режиме).

Для заправки смесевым биотопливом сельскохозяйственной техники предложено использовать серийно выпускаемую тошшвораздаточную колонку Нара 27М1С, а для его внутрискладских перекачек - шестеренный нас ос РЗ-75 и элементы разборного трубопровода РТ-75.

Для контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива экспресс-методом изготовлен прибор, представляющий собой прозрачный лоток длиной 150 мм и высотой 20 мм, оборудованный подсветкой в виде люминесцентной лампы 11 W/21-840 и подставки, обеспечивающей размещение логка под углом 30°.

На все образцы оборудования для операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом разработана техническая документация, по которой изготовлены натурные образцы технологического оборудования.

В результате эксплуатационных испытаний комплекса транспортно-складского и заправочного оборудования для обеспечения сельскохозяйственной техники смесевым биотопливом установлено, что все характеристики и показатели этого оборудования соответствуют предъявляемым требованиям:

- тонкость очистки рапсового масла и смесевого биотоплива составляла 5мкм;

- продолжительность нагрева рапсового масла до момента его выдачи из резервуара не превышала ЗОмин;

- продолжительность перемешивания компонентов смесевого биотоплива при его приготовлении не превышала 35мин;

- экспресс-метод контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива позволил фиксировать частицы загрязнений с размером более 5мкм.

Технико-экономический анализ принятых технических решений показал, что при использовании смесевого биотошшва с 1га посевов рапса энергия составляет 39,8ГДж/га, а при использовании рапсового метилэфира - 28,0ГДж/га, то есть на 30% меньше.

При существующих ценах на дизельное топливо и семена рапса экономия сельскохозяйственного предприятия, потребляющего 600т моторного топлива в год, при

использовании смесевого биотоплива составит 3,65млн.руб/год, а при использовании рапсового мегилэфира 3,87млн.руб/юд. Учитывая что стоимость дополшггслыюго оборудования для получения из рапсового масла указанного количества рапсового мегилэфира составит 2,89млн.руб/год, а для получения смесевого биотоплива - около 450тыс.руб, экономическая эффективность использования смесевого биотоплива очевидна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Поиск эффективных альтернативных топлив для использования при эксплуатации дизельных двигателей вызван экологическими и экономическими причинами - высокой токсичностью нефтяных топлив и продуктов их сгорания, что вызывает загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы, а также снижением разведанных запасов нефти наряду с увеличением потребления моторных топлив мобильной техникой и спроса на нефтяное сырье для химической промышленности.

2. В качестве альтернативы дизельному топливу перспективным является использование биотоплива на основе рапсового масла,'имеющего достаточно высокую теплоту сгорания, не токсичного, не огнеопасного, не требующего сложного оборудования для своего изготовления. Однако специфические свойства рапсового масла затрудняет его использование в чистом виде, поэтому целесообразно применять смесевое биотопливо на основе рапсового масла.

3. При использовании смесевого биотоплива следовало решить ряд задач, связанных с его транспортированием, хранением и заправкой техники - очистку его компонентов и конечного продукта от загрязнений, их подогрев и эффективное смешение, а также оперативный контроль чистоты, для чего необходимо теоретически обосновать и экспериментально исследовать технологические процессы при проведении транспортно-складских и заправочных операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом, а также разрабо тать соответствующее оборудование.

4. Для очистки рапсового мама и смесевого биотоплива предложено использовать высокопористый полимерный материал с пространственно-глобулярной структурой -ПГС-полимер; получена математическая модель процесса фильтрования жидкости через двухступенчатый фильтроэлеменг из этого материала, включающая систему уравнений материального баланса, кинетики процесса и его гидродинамики, на основании чего разработана конструкция фильтра с тонкостью очистки 5 мкм.

5. Разработаны методы контроля чистоты смесевого биотоплива и его компонентов - ускоренный турбодашамический лабораторный метод определения дисперсного состава загрязнений с использованием фотокалометрического способа регистрации этого параметра и визуальный экспресс-метод фиксации наличия в продукте частиц с размерами выше допустимого на основе использования эффекта юс обтекания тонким слоем жидкости, позволяющий индифицировать частицы с размером более 5мкм.

6. Разработана физическая модель процесса разогрева рапсового масла с использованием локального подогревателя с пористым экраном в форме половины эллиптического овала Кассини и спроектировано соответствующее устройство, позволяющее снизить продолжительность процесса подогрева в 4 раза.

7. Разработаны математические модели процессов получения смесевого биотоплива с использованием якорной мешалки и струйного смесителя. Экспериментально подтверждена высокая стабильность смесевого биотоплива, полученного методом перемешивания, при сроке хранения до ЮОсут.

8. Исследования свойств ПГС-полимеров показали их высокую прочность на разрыв (до 20 МПа) и сжатие (свыше 2,4 МПа), совместимость с смесевым биотопливом и его компонентами, высокие гидравлические и фильтрационные показатели.

9. Исследованы физико-химические свойства смесевого биотоплива и его компонентов, проверена их совместимость с металлами, неметаллическими материалами и лакокрасочными покрытиями, используемыми при изготовлении нефтсскладского

оборудования; установлено что некоторые материалы и покрытия не обладают необходимой стойкостью к указанным продуктам, даны рекомендации по их замене.

10. Использование разработанного комплекса технологического оборудования для транспоргао-складских и заправочных операций позволит получить экономический эффект, слагающийся из экономии при использовании смесевого биотоплива взамен дизельного топлива - 3,65млн.руб/год при расходе бООт/год и сравнительно шгзкой стоимости дополнительного оборудования - в 6,4 раза меньше, чех» стоимость оборудования для получения рапсового метилэфира.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Приваленко А.Н., Шайдурова О.Н., Островский Е.А. Ускоренные методы контроля чистоты биотоплива для дизеля. // Вестнгис ФГОУ ВПО МГА У. - 2007. - №2. - С.69-71

2. Коваленко В.П., Улюкина ЕЛ., Насоновский МЛ., Островский Е.А. Оборудование для получения смесевого биотоплива на основе рапсового масла. //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2008. Ш.С.48-52.

3. Коваленко В.П., Привапенко А.Н., Островский Е.А., Шайдурова О.Н. Применение экологически безопасного рапсового масла при эксплуатации дизелей. // Автогрин. Зима-весна 2007. - С.16-17.

4. Островский Е.А., Коваленко В.П. Транспортно-складские и заправочные операции при обеспечении биотопливом с.-х. техники. // Сборник материалов международной научно-практической конференции Роль молодых ученых в реализации национального проекта. «Развитие АПК», - М., 2007. - С.252-255.

5. Коваленко В.П., Улюкина ЕЛ., Островский ЕЛ. Пути обеспечения температурного режима рапсового масла при нефтескладскмх операциях и приготовлении смесевого биотоплива для дизельных двигателей. II Международный научный журнал. -2008. - №2. - С.22-27.

6. Коваленко В.П., Улюкина ЕЛ., Островский ЕЛ. Очистка компонентов смесевого биотоплива с помощью ПГС-полимеров. II Международный технико-экономический журнал. - 2008. - №2. - С.10—16.

7. Коваленко В.П., Галко СЛ., Улюхина Е.А., Приваленко А.Н., Островский ЕЛ. Оборудование для транспортирования, хранения и заправки мобильной техники смесевым биотопливом. // Труды 25 Гос НИИ МО РФ. -2008. - Вып.54. - С.362-370.

8. Коваленко В.П., Улюкина ЕЛ., Островский Е.А. Обеспечение температурного режима вязких нефтепродуктов при нефтескладских операциях. // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции «Проблемы разработки, производства, оценки соответствия и применения горюче-смазочных материалов и технических средств нефтепродуктообеспечения». - М., 2008. - С.309-310.

9. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Островский Е.А. Проверха эффективности экспресс-метода контроля загрязненности рапсового масла и смесевого биотоплива. И Международный научный журнал. - 2008. - №5 . - С.58-60.

10. Коваленко В.П., Улюкина ЕЛ., Шайдурова О.Н., Островский ЕЛ. Исследование стабильности смесевого биотоплива. II Технико-экономический журнал. -2008. - №4. - С.75-78.

Подписано к печати 16.03.2009

Формат 60x84/16

Печать - трафарет ная

Усл.-печ. л. 1

Тираж 100 экз.

Заказ № 386

Отпечатано в издательском центре

ФГОУ ВПО МГАУ

127550, Москва, Тимирязевская, 58

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 11 1.1 Физико-химические свойства рапсового масла и их влияние на операции с этим продуктом в условиях эксплуатации

1.2. Требования к чистоте топлива для дизелей и методы его очистки

1.3. Способы и средства подогрева вязких и застывающих жидкостей

1.4. Оборудование для смешивания жидкостей и приготовления эмульсий

1.5. Методы и средства, используемые при контроле чистоты жидкостей

1.6. Выводы по главе и постановка задач исследования

Глава 2. Теоретическое обоснование методов и устройств для обеспечения операций со смесевым биотопливом на основе рапсового масла

2.1. Очистка рапсового масла и смесевого биотоплива с помощью ПГС-полимеров

2.2. Методы контроля чистоты рапсового масла и смесевого биотоплива

2.3. Обеспечение температурного режима рапсового масла

2.4. Устройства для смешивания компонентов биотоплива

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований

3.1. Методики определения физико-химических показателей рапсового масла и смесевого биотоплива

3.2. Методики исследований стойкости конструкционных материалов при взаимодействии с рапсовым маслом и смесевым биотопливом

3.3. Методика определения свойств ПГС-полимеров используемых для очистки рапсового масла

3.4. Методика определения теплотехнических показателей при подогреве рапсового масла

3.5. Методика проверки эффективности экспресс метода контроля загрязненности рапсового масла и смесевого биотоплива

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования процессов и оборудования, применяемого при складских и заправочных операциях со смесевым биотопливом

4.1. Исследование физико-химических свойств рапсового масла и смесевого биотоплива

4.2. Лабораторные исследования прочностных и эксплуатационных свойств ПГС-полимеров

4.3. Исследование стабильности смесевого биотоплива для дизелей при хранении

4.4. Результаты исследования процесса нагрева рапсового масла

4.5. Результаты проверки эффективности экспресс-метода контроля загрязненности рапсового масла и смесевого биотоплива

4.6. Выводы по главе

Глава 5. Реализация результатов исследований и их технико-экономическая эффективность

5.1. Разработка технологического оборудования для обеспечения операций по приготовлению, хранению смесевого биотоплива и заправке сельскохозяйственной техники

5.2. Эксплуатационные испытания комплекса технологического оборудования для операций со смесевым биотопливом

5.3. Технико-экономическая оценка использования смесевого биотоплива на основе рапсового масла с применением разработанного технологического оборудования

5.4. Выводы по главе 154 Общие выводы 156 Список использованной литературы 159 Приложение

Использование нефтяных топлив при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и других энергетических установок (тепловых электростанций, котельных и т.д.) приводит к загрязнению атмосферы продуктами, образующимися в результате неполного сгорания этих топлив - оксидом углерода, тяжелыми углеводородами (многоатомными алканами и ал кенами, полициклической ароматикой и т.п.), диоксидом и тетраоксидом азота, сажей, а также сернистыми соединениями (сернистым ангидридом, сероводородом и др.), попадающими в топливо из исходного нефтяного сырья. При проливах и подтеканиях нефтяных топлив в процессе транспортно-складских и заправочных операций происходит долговременное и трудноустраняемое загрязнение почвы и гидросферы, вызывающее угнетение и гибель флоры и фауны, а также приводящее к тяжелым расстройствам здоровья людей.

Другим негативным последствием использования нефтяных топлив является выброс в атмосферу большого количества диоксида углерода, который непосредственно не оказывает отрицательного воздействия на организм человека, но создает в атмосфере так называемый «парниковый эффект», что является основной причиной глобального потепления, способного вызвать непредсказуемые изменения климата и катаклизмы планетарного масштаба.

Ухудшение экологической обстановки вызывает необходимость изыскания альтернативных топлив, которые не уступали бы традиционным нефтяным топливам по своим эксплуатационным свойствам, но имели бы более низкую токсичность продуктов сгорания, быстро саморазлагались при аварийном попадании в окружающую среду и не вызывали бы резкого увеличения содержания диоксида азота в атмосфере [1, 2].

Вторая причина, требующая нахождения эквивалентной замены нефтяным топливам, носит экономический характер и связана со снижением разведанных мировых запасов нефти, сложностью разведки и разработки новых труднодоступных ее месторождений, постоянным увеличением потребления моторных топлив мобильной техникой, повышением спроса на нефтяное сырье для нужд химической промышленности (в первую очередь для синтеза разнообразных полимерных материалов технического и бытового назначения). Все это, а также нестабильность политической обстановки в ряде экспортирующих нефть регионов (Ближний Восток, Иран, Венесуэла и т.п.) вызывает постоянный рост цен на нефтепродукты.

В результате выполненных многими отечественными и зарубежными учеными научных исследований и технологических разработок предложен ряд альтернативных моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания, обладающих значительными экологическими преимуществами по сравнению с традиционными видами горючего. Сюда относятся сжиженный газ (пропан-бутановая смесь), сжатый природный газ (метан), различные продукты химической переработки органического сырья (сложные эфиры, спирты и т.п.), продукты растительного происхождения (так называемое биотопливо).

Использование перечисленных альтернативных топлив связано с определенными условиями. Источники получения сжиженных и сжатых газов не возобновляются, поэтому применение этих продуктов ограничено размерами имеющихся сырьевых ресурсов, и для сжиженных газов, получаемых путем конденсации пропано-бутановой фракции нефти, лимитируется наличием запасов нефтяного сырья. Использование в качестве моторного топлива компремированного природного газа, запасы которого значительно превышают запасы нефти, в меньшей степени осложняется ресурсными затруднениями, но вызывает определенное ухудшение эксплуатационных характеристик топливопотребляющей техники - снижение мощности двигателя и усложнение конструкции его топливной системы, уменьшение грузоподъемности и запаса хода транспортных средств; это налагает ограничения на использование природного газа в качестве топлива для двигателей. Применение сжиженных и сжатых газов не снижает поступления диоксида азота в атмосферу.

Использование в качестве моторного топлива химических продуктов из органического сырья является целесообразным с точки зрения возобнавляемости сырьевых ресурсов, но требует реализации достаточно сложных технологических решений для получения указанных продуктов, что связано с созданием для этой цели специализированных предприятий. При транспортировке, хранении химических веществ и заправке ими техники следует принимать повышенные меры безопасности вследствие ядовитости большинства этих продуктов, которые при попадании в организм человека могут вызывать тяжелые отравления и даже привести к летальному исходу. Большинство рассматриваемых продуктов обладают также высокой коррозионной активностью и химической агрессивностью, являясь окислителями и растворителями по отношению к многим применяемым в двигателестроении конструкционным материалам, что потребует модернизации системы питания двигателя.

Биотопливо, сырьем для которого могут служить различные растительные масла, не требует для своего изготовления сложного технологического оборудования - его можно получить путем механического прессования без химической обработки. Получаемое при прессовании семян масленичных растений растительное масло не токсично и не огнеопасно, не имеет специфического запаха, свойственного нефтепродуктам, не содержит сернистых соединений. Выделяющееся при его сгорании количество диоксида углерода численно равно его количеству, поглощенному при росте масленичных растений, то есть имеет место нулевая эмиссия диоксида углерода. Растительные масла имеют достаточно высокую теплоту сгорания, сопоставимую с теплотой сгорания дизельного топлива, что позволяет рассматривать их как потенциальное моторное топливо для дизелей. Наиболее полный анализ вопросов, связанных с использованием топлив на основе растительных масел при эксплуатации дизелей, приведены в работе [3].

В качестве биотоплива' теоретически могут использоваться разнообразные растительные масла - рапсовое, кукурузное, льняное, хлопковое, соевое, пальмовое, подсолнечное, арахисовое, оливковое и так далее. Всего в мире насчитывается более 150 видов масленичных растений, однако, многие масленичные культуры, из которых получают растительные масла с хорошими энергетическими показателями, на территории нашей страны не произрастают или имеют ограниченное распространение. К масленичным растениям, повсеместно культивируемым в России, относятся рапс и подсолнечник, но подсолнечное масло имеет высокую температуру застывания, что в условиях нашего климата отрицательно скажется на эксплуатации мобильной техники в зимний период, и является ценным пищевым продуктом, что сдерживает его применение в технических целях.

Лучшим сырьем для биотоплива в настоящее время считается рапс, который почти не требует ухода при возделывании, дает высокий урожай, является прекрасной промежуточной культурой при выращивании пшеницы и другой полеводческой продукции, задерживает в почве питательные вещества и улучшает ее структуру. Отходы, получаемые после отжима рапсового масла (рапсовый жмых и шрот) используются при производстве комбикорма, являются ценным кормовым продуктом для скота. Поэтому целесообразно рассмотреть комплекс вопросов, связанных с использованием биотоплива в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, применительно к рапсовому маслу.

Вопросы использования биотоплива на основе растительных масел решаются современной наукой достаточно успешно. Теоретические и практические аспекты проблемы эксплуатации двигателей с применением биотоплива нашли отражение в работах С.Н. Девянина, О.И. Жегалина, А.Ю. Евдокимова, Н.В. Краснощекова, Е.Г. Пономарева, Г.С. Савельева,

И.Г. Фукса и многих других отечественных и зарубежных ученых. Менее разработанными являются вопросы, связанные с транспортировкой, хранением биотоплива и заправкой техники. Необходимость решения этих вопросов связана со специфическими физико-химическими свойствами растительных масел, оказывающими влияние на осуществление транспортно-складских и заправочных операций и предъявляющими определенные требования к применяемому при этом технологическому оборудованию. В частности, рапсовое масло имеет высокую вязкость при пониженных температурах, сильно загрязнено эмульсионной водой, твердыми механическими частицами и отходами растительного происхождения, а условия его применения предусматривают смешение с дизельным топливом в дозированных пропорциях. Разработка требований к технологическому оборудованию для транспортирования и хранения биотоплива и заправки им сельскохозяйственной техники с последующим созданием на основе этих требований комплекса технических средств для указанных целей является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.

Целью работы является обеспечение транспортно-складских и заправочных операций при использовании биотоплива в сельскохозяйственном производстве за счет применения эффективного технологического оборудования.

Объектом исследования служат технические средства хранения, транспортирования и заправки для биотоплива.

Предметом исследования является процесс транспортирования, хранения и заправки при использовании биотоплива в процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении целесообразности создания и эффективности использования вновь разработанных оригинальных образцов технических средств для операции с биотопливом.

Практическая полезность работы заключается в разработке комплекса средств хранения, заправки и очистки биотоплива и во внедрении этого комплекса при эксплуатации сельскохозяйственной техники.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Поиск эффективных альтернативных топлив для использования при эксплуатации дизельных двигателей вызван экологическими и экономическими причинами - высокой токсичностью нефтяных топлив и продуктов их сгорания, что вызывает загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы, а также снижением разведанных запасов нефти наряду с увеличением потребления моторных топлив мобильной техникой и спроса на нефтяное сырье для химической промышленности.

2. В качестве альтернативы дизельному топливу перспективным является использование биотоплива на основе рапсового масла, имеющего достаточно высокую теплоту сгорания, не токсичного, не огнеопасного, не требующего сложного оборудования для своего изготовления. Однако специфические свойства рапсового масла затрудняют его использование в чистом виде, поэтому целесообразно применять смесевое биотопливо на основе рапсового масла.

3. При использовании смесевого биотоплива следовало решить ряд задач, связанных с его транспортированием, хранением и заправкой техники - очистку его компонентов и конечного продукта от загрязнений, их подогрев и эффективное смешение, а также оперативный контроль чистоты, для чего необходимо теоретически обосновать и экспериментально исследовать технологические процессы при проведении транспортно-складских и заправочных операций с рапсовым маслом и смесевым биотопливом, а также разработать соответствующее оборудование.

4. Для очистки рапсового масла и смесевого биотоплива предложено использовать высокопористый полимерный материал с пространственно-глобулярной структурой — ПГС-полимер; получена математическая модель процесса фильтрования жидкости через двухступенчатый фильтроэлемент из этого материала, включающая систему уравнений материального баланса, кинетики процесса и его гидродинамики, на основании чего разработана конструкция фильтра с тонкостью очистки 5 мкм.

5. Разработаны методы контроля чистоты смесевого биотоплива и его компонентов - ускоренный турбодинамический лабораторный метод определения дисперсного состава загрязнений с использованием фотокалометрического способа регистрации этого параметра и визуальный экспресс-метод фиксации наличия в продукте частиц с размерами выше допустимого на основе использования эффекта их обтекания тонким слоем жидкости, позволяющий индифицировать частицы с размером более 5мкм.

6. Разработана физическая модель процесса разогрева рапсового масла с использованием локального подогревателя с пористым экраном в форме половины эллиптического овала Кассини и спроектировано соответствующее устройство, позволяющее снизить продолжительность процесса подогрева в 4 раза.

7. Разработаны математические модели процессов получения смесевого биотоплива с использованием якорной мешалки и струйного смесителя. Экспериментально подтверждена высокая стабильность смесевого биотоплива, полученного методом перемешивания, при сроке хранения до 1 ООсут.

8. Исследования свойств ПГС-полимеров показали их высокую прочность на разрыв (до 20 МПа) и сжатие (свыше 2,4 МПа), совместимость с смесевым биотопливом и его компонентами, высокие гидравлические и фильтрационные показатели.

9. Исследованы физико-химические свойства смесевого биотоплива и его компонентов, проверена их совместимость с металлами, неметаллическими материалами и лакокрасочными покрытиями, используемыми при изготовлении нефтескладского оборудования; установлено что некоторые материалы и покрытия не обладают необходимой стойкостью к указанным продуктам, даны рекомендации по их замене.

10. Использование разработанного комплекса технологического оборудования для транспортно-складских и заправочных операций позволит получить экономический эффект, слагающийся из экономии при использовании смесевого биотоплива взамен дизельного топлива -3,65млн.руб/год при расходе бООт/год и сравнительно низкой стоимости дополнительного оборудования - в 6,4 раза меньше, чем стоимость оборудования для получения рапсового метилэфира.

1. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии. Энергетическая политика. 2001, №2. С.23-27.

2. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика для развивающихся стран и для России. Энергия: экономика, техника, экология. 2002, №9. С.11-14.

3. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М., МГАУ, 2008. 340с.

4. Краснощеков Н.В., Савельев Г.С., Шапкайц А.Д., Подосинников В.В., Бубнов Д.В., Демидов Д.А., Пономарев Е.Г., Басистый JI.H. Адаптация тракторов и автомобилей для работы на биотопливе. Тракторы и сельхозмашины. 1994, №12. С. 1-4.

5. Бубнов Д.В. Адаптация двигателя сельскохозяйственного трактора для работы на рапсовом масле. Дис. . .к.т.н., М. 1996. 150с.

6. Слепцов О.Н., Белов В.М., Девянин С.Н. Применение в дизелях топлива растительного происхождения. Вестник МГАУ, 2003, вып.4. С. 15-21.

7. Краснощеков Н.В., Савельев Г.С., Шапкайц А.Д., Кауров Е.Т. Применение биомоторных топлив на энергоавтономных сельскохозяйственных предприятиях. Тракторы и сельхозмашины, 1994, №11. С.4-7.

8. Евдокимов А.Ю., Фукс И.Г., Свинухов А.Г., Дизельные топлива на основе продуктов растительного и животного происхождения. Нефтепереработка и нефтехимия, 1994, №4. С.34-37.

9. Жегалин О.И., Пономарев Е.Г., Журавлев В.Н., Сайкин JI.M., Басистый Л.Н., Микуленок С.В. Альтернативные топлива и перспективы их применения на тракторных дизелях. М., ЦНИИТЭИ Трактормаш, 1986. 41с.

10. Басистый Л.Н., Луай А., Олесов И.Ю., Шкаликова В.И. Исследование рабочего процесса тракторного дизеля при работе на смеси дизельного топлива и рапсового масла. Вестник РУДН, сер. Тепловые двигатели, 1996, №1. С.30-36.

11. Тютюнников Б.Н., Бухштаб З.И., Гладкий Ф.Ф. и др. Химия жиров. М., Колос, 1992.448с.

12. Коваленко В.П., Приваленко А.Н., Островский Е.А., Шайдурова О.Н., Применение экологически безопасного биотоплива на основе рапсового масла при эксплуатации дизелей. Авто-Грин, 2007, зима-весна. С.16-17.

13. Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Очистка нефтепродуктов от загрязнения. М., Недра, 1990. 160с.

14. Алиев Р.А., Митусова Т.Н., Энглин Б.А. и др. Повышение чистоты дизельных топлив. Химия и технология топлив и масел. 1981, №1. С.52-54.

15. Селиванов А.И. Дизельная топливная аппаратура. М., Сельхозгиз, 1965. 534с.

16. Энглин Б.А. Применение моторных топлив при низких температурах. М., Химия. 1963. 164с.

17. Литвиненко С.Н. Биологическое поражение нефти и нефтепродуктов и их защита при транспортировании и хранении. М., ЦНИИТЭ Нефтехим, 1970. 50с.

18. Семернин А.Н. Повышение чистоты дизельного топлива в тракторах, эксплуатирующихся в условиях сельского хозяйства. Дис. . к.т.н. М., 1984. 168с.

19. Шевченко В.П. Повышение чистоты дизельного топлива в транспортных средствах, эксплуатирующихся в сельскохозяйственном производстве Сибири. Дисс. . к.т.н. М., 1985. 196с.

20. Расулов Х.А. Исследование влияния качества очистки топлива в системе питания дизельного двигателя на надежность топливной аппаратуры. Дисс. . к.т.н. М., 1982. 186с.

21. Лебедев В.В. Совершенствование очистки дизельного топлива при приеме и выдаче на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий. Дисс. .к.т.н. М., 2003. 148с.

22. Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. Л., Недра, 1982. 352с.

23. Архипов A.M. Исследование загрязненности и эффективности очистки дизельного топлива в механизированном сельскохозяйственном производстве. УЗ ССР. Дисс. . к.т.н. Ташкент, 1970. 162с.

24. Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Средства очистки нефтепродуктов от механических загрязнений. М., ЦНИИТЭ Нефтехим, 1984. 68с.

25. Белянин П.Н. Центробежная очистка рабочих жидкостей авиационных гидросистем. М., Машиностроение, 1976. 328с.

26. Рыбаков К.В., Жулдыбин Е.Н., Коваленко В.П. Обезвоживание авиационных горюче-смазочных материалов. М., Транспорт, 1979. 182с.

27. Коваленко В.П. Ильинский А.А. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. М., Химия, 1982. 272с.

28. Симоненко А.В. Обеспечение чистоты нефтепродуктов и воздуха при эксплуатации сельскохозяйственной техники. Дисс. . д.т.н., М., 1997. 223с.

29. Королев И.А. Совершенствование очистки рабочих жидкостей гидравлических систем на основе использования материалов пористой глобулярной структуры. Дисс. . к.т.н. М., 2008. 137с.

30. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Гусев С.С., Леонов И.Н. Восстановление качества нефтепродуктов с помощью ПГС-полимеров // В кн. «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. С.-Пб., 2004. С.4.

31. Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Обеспечение температурного режима нефтепродуктов при их транспортировании и хранении. М., ЦНИИТЭ Нефтехим., 1989. 84с.

32. Коваленко В.П., Ковальский В.Ф., Лесной К.Я., Пирогов Е.Н. Перспективные теплообменные аппараты для модернизации систем нагрева и охлаждения в мобильных машинах и на стационарных объектах. Ремонт, восстановление, модернизация. 2005, №1. С. 10-12.

33. Стрюк И.С., Коваленко В.Г., Коваленко В.П. Устройство для разогрева вязких и застывающих жидкостей. А.С.СССР, №195593, 1967.

34. Машины и аппараты химической промышленности. Под ред. И.И. Чернобыльского. Машгиз, М. Киев, 1960. 414с.

35. Машины и аппараты химических производств. Под ред. И.И. Чернобыльского. Машгиз, М. Киев, 1961. 524с.

36. Конторович З.Б. Машины химической промышленности. М., Машиностроение, 1965. 416с.

37. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1971. 784с.

38. Коваленко В.П., Симоненко А.В., Лоскутов B.C. Нефтепродуктообеспечение сельскохозяйственных товаропроизводителей. М., МГАУ, 2002. 1 Юс.

39. Девянин С.Н., Кузнецов И.В., Гуднев В.И., Слепцов О.Н., Воловик Е.Л., Симоненко С.В., Харитонов B.C. Устройство для получения смесевого топлива при заправке транспортного средства. Пат РФ., 2004. 500с.

40. Новичков В.М., Новичков Б.М. Автоматизированные средства контроля чистоты жидкостных и газовых систем летательных аппаратов. Автоматизация и современные технологии. 1996, №2. С.2-7.

41. Новичков В.М., Новичков Б.М. Технология контроля твердой фазы загрязнений авиационного топлива. Автоматизация и современные технологии. 1998, №9. С.26-32.

42. Новичков В.М., Новичков Б.М., Орешенков А.В. Экспрессный анализ дисперсных жидких систем. Автоматизация и современные технологии. 2001, №12. С.23-26.

43. Большаков Г.Ф., Тимофеев В.Ф., Новичков М.Н. Оптические методы определения загрязненности жидких сред. Новосибирск, Наука, 1984. 158с.

44. Большаков Г.Ф., Тимофеев В.Ф., Сибарова И.И. Экспресс-методы определения загрязненности нефтепродуктов. JI., Химия, 1976. 167с.

45. ОСТ 141144-80. Промышленная чистота. Определение содержания загрязнений в жидкостях по гранулометрическому составу. Метод анализа. М., Изд. Стандартов. 1980.

46. Сапожников В.М. Надежность и долговечность авиационных гидросистем. // В кн. «Повышение качества и надежности гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов». М., НИАТ, 1987. С.5-14.

47. Новичков Б.М. Метод автоматизированного контроля чистоты авиационных топлив для летательных аппаратов. Дисс. . к.т.н. М., 2008. 160с.

48. Micro-Scan. Проспект фирмы Millipore (США).

49. Quatimot 7200. Проспект фирмы Imango (Великобритания).

50. Leitz-classimat. Проспект фирмы Leitz (ФРГ).

51. Micro-videomat. Проспект фирмы Opton (AHU).

52. Areadas-1500. Проспект фирмы Sakura (Япония).

53. Грохольский A.JI. Меньшиков А.П. Анализ методов определения механических примесей в авиационных горюче-смазочных материалах. // В кн. «Авиационные приборы, метрология и методы измерения». Киев, КИИГА, 1975. С.7-10.

54. US Navy Aviation Fuels Update Naval Air Systems Command. UK Aviation Fuels Committee. April 2004.

55. Коваленко В.П., Улюкина Е.А. Очистка нефтепродуктов и регенерация отработанных масел с помощью пористых полимеров. Вестник МГАУ «Технический сервис в АПК», вып. 1 (11), 2005. С.138-141.

56. Гусев С.С. Восстановление качества отработанных нефтяных масел с помощью ПГС-полимеров на сельскохозяйственных предприятиях. Дисс. . к.т.н. М., 2006. 159с.

57. Коваленко В.П., Дубровин В.А., Ковальский В.Ф., Лесной К.Я., Пирогов Е.Н., Соколов B.C. Новые отечественные фильтрующие элементы для железнодорожно-строительных машин. // В кн. «Путевые машины». Калуга, 2006.

58. Галко С. А. Очистка авиационных синтетических масел полимерными материалами пространственно глобулярной структуры. Дисс. . к.т.н. М., 2005. 162с.

59. Коваленко В.П., Улюкина Е.А. Новые технологии обеспечения чистоты топлив и масел на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий. // В кн. «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с.-х. продукции». Тамбов, 2005. С.430-438.

60. Шевченко Н.Н. Моделирование процессов и методы расчета масляных фильтров машин. Дисс. к.т.н. Томск, 1990.217с.

61. Кладов А.В., Добровольсков В.П., Коваленко В.П. Совершенствование средств подогрева мазута в вертикальных резервуарах. Научно-технический сборник УФ ВАТТ, 2003, №35.

62. Коваленко В.П., Кладов А.В., Макушев Ф.С. Обеспечение температурного режима котельного топлива при выдаче его со складов сельскохозяйственных предприятий. Вестник МГАУ «Технический сервис в АПК». 2004, вып. 1 (6). С.102-107.

63. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М., Наука, 1983. 608с.

64. Улюкина Е.А., Пуляев Н.Н., Шайдурова О.Н. Использование смесевых биотоплив в дизельных двигателях сельскохозяйственной техники. Международный научный журнал, 2008, №2. С.31-35.

65. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М., Энергоатомиздат, 1989. 3 52с.

66. Басаргин Б.Н. Исследование гидродинамики и массообменной способности аппаратов инжекторного типа. Дисс. . д.т.н., Ярославль, 1974. 315с.

67. Бухалов В.А., Лесников Е.В. Современный экспресс-метод инструментального контроля чистоты промышленно-авиационных ГСМ. // В кн. «Материалы заседаний комитета по авиа ГСМ». Инф. сборник №З.М., 2008. 84с.

68. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М., Энергоиздат, 1991. 521с.

69. Турсунов А.А. Теоретические основы расчета береговых безнапорных водостоков больших плотин. Л., ЛТИ. 128с.

70. Алексиков Ю.З., Смышляев П.П. Теория функции комплексного переменного. М., Наука, 1970. 250с.

71. ГОСТ 33-2000. Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости. Расчет динамической вязкости. М., Изд. Стандартов, 2001. 20с.

72. ГОСТ 5985-79. Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа. М., Изд. Стандартов, 1993. Юс.

73. ГОСТ 10577-78. Нефтепродукты. Метод определения содержания механических примесей. М., Изд. Стандартов, 1996. 8с.

74. Руководство по испытаниям технических средств службы горючего. М., Воениздат, 1989. Кн.2. 418с.

75. ГОСТ 2477-65. Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды. М., Изд. Стандартов, 1997. 2с.

76. ГОСТ 5066-91. Топлива моторные. Методы определения температуры помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации. М., Изд. Стандартов, 1992. 14с.

77. ГОСТ 20287-91. Нефтепродукты. Методы определения температур текучести и застывания. М., Изд. Стандартов, 2002. 10с.

78. ГОСТ 8489-85. Топлива моторные. Метод определения фактических смол (по Бударову). М., Изд. Стандартов, 1988. 10с.

79. Инструкция об организации обеспечения качества горючего в Вооруженных силах РФ. М., Воениздат, 1994. 224с.

80. ГОСТ 2917-76. Масла и присадки. Методы определения коррозионного воздействия на металлы. М., Изд. Стандартов, 1976. 8с.

81. ГОСТ 9.030-74. Резины. Методы испытаний на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких и агрессивных сред. М., Изд. Стандартов, 1992. 16с.

82. МИ 14.67-89. Метод оценки защитных свойств в трехфазной системе. Госстандарт СССР, 1989. 6с.

83. ГОСТ В.28.569-90. Рекомендуемая система покрытий и защиты наружных и внутренних поверхностей технических средств службы горючего. М., Изд. Стандартов, 1991. 11с.

84. Сафонов А.С., Ушаков А.И., Орешенков А.В. Качество автомобильных топлив. С.-Пб., НПИКЦ, 2006. 394с.

85. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М., JL, Машгиз, 1962. 456с.

86. Нгуен Ван Тхам. Исследования процесса очистки углеводородных топлив фильтровальными материалами при переменной подаче. Дисс. . к.т.н. Л., 1976. 189с.

87. ГОСТ 14219. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

88. ОСТ 26-373-78. Нормы и методы расчета на прочность фланцевых соединений сосудов и аппаратов.

89. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Машиностроение, 1976. 728с.

90. Детали машин и основы конструирования. Под редакцией Ерохина М.Н. М, Колосс, 2004. 170с.

91. Коваленко В.П., Инокова Э.Е. Технологическое проектирование и сооружение объектов системы нефтепродуктообеспечения. М., МГАУ, 2008. 130с.

92. Измаилов А.Ю., Савельев Г.С. Эффективность производства и использования биодизельного топлива из рапсового масла в России. Ваш сельский консультант, 2006, №3. С. 18-22.

93. Методические рекомендации по оценке эффективности инновационных проектов (2-ая редакция), Минэкономика РФ, 1999.

94. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Приваленко А.Н., Шайдурова О.Н., Островский Е.А. Ускоренные методы контроля чистоты биотоплива для дизеля. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия «Агроинженерия», №2(22). М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. С.69-71.

95. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Островский Е.А. Пути обеспечения температурного режима рапсового масла при нефтескладских операциях и приготовлении смесевого биотоплива для дизельных двигателей. Международный научный журнал, 2008, №2. С.22-27.

96. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Островский Е.А. Очистка компонентов смесевого биотоплива с помощью ПГС-полимеров. Международный технико-экономический журнал, 2008, №2. С. 10-16.

97. Коваленко В.П., Галко С.А., Улюкина Е.А., Приваленко А.Н., Островский Е.А. Оборудование для транспортирования, хранения и заправки мобильной техники смесевым биотопливом. Труды 25 Гос НИИ МО РФ, 2008, Вып.54. С.362-370.

98. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Насоновский M.JL, Островский Е.А. Оборудование для получения смесевого биотоплива на основе рапсового масла. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия «Агроинженерия», №4. М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. С.48-52.

99. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Островский Е.А. Проверка эффективности экспресс-метода контроля загрязненности рапсового масла и смесевого биотоплива. Международный научный журнал, 2008. №5 .С.58-60.

100. Коваленко В.П., Улюкина Е.А., Шайдурова О.Н., Островский Е.А. Исследование стабильности смесевого биотоплива. Технико-экономический журнал, 2008. №4. С.75-78.