автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Научные основы моделирования, расчета и выбора методов и технологических схем подготовки топлив для судовых дизелей



САНКТ-ПЕХЕРБУРГОШЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИИ

На правах рукописи

ИВАНОВ Игорь Александрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА И ВЫБОРА МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВ ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.08.05

"Суповые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

доктор технических наук, профессор Л.Б.Тузов доктор технических наук, профессор М.К.Овсянников доктор технических наук, профессор Э.М.Мохнаткин

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский

и проектно-конструкторский институт морского флота (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится " 19 " 1993 г. в И часов

на заседании специализированного совета Д 116.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (198035, г.Санкт-Петербург, ул.Двинская, 5/7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. .

Автореферат разослан /.Г " (Р&мХлД/ 1993 г.

Официальные оппоненты:

Тг

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцеь

В.К.Лопарев

Актуальность проблемы. Рациональное применение топлив в технике, являющееся одной из основных задач химмотологии, в приложении к судовым двигателям связано прежде всего с широким использованием на судах средне- и высоковязких моторных топлив нефтяного и другого происхождения, менее дефицитных и более дешевых, чем дизельное. Решение этой важной народно-хозяйственной задачи, осуществляемой усилиями научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организаций речного флота, морского флота и рыбного хозяйства, требует обеспечения минимальных эксплуатационных затрат при надежной долговечной работе двигателей на топливах повышенной вязкости.

Особую роль в этой проблеме играет система подготовки топлива, которая в сравнении с аналогичной системой дизельного топлива значительно усложняется. Подготовка средне- и высоковязких топлив, обеспечивающая восстановление качества и необходимого изменения их физического состояния и физико-химического состава, определяет надежную длительную эксплуатацию двигателя.

Структура системы подготовки топлива, особенности работы средств подготовки, технологические режимы эксплуатации, взаимодействие различных агрегатов в системе - таков неполный перечень факторов, которые оказывают влияние на обеспечение безотказной работы двигателя, снижение затрат на судовую установку в целом. Отсюда следует, что решение рассматриваемой проблемы необходимо искать в обосновании комплекса зависимостей, позволяющих дать ясное представление о характере и результатах взаимодействия основных факторов, определяющих качество топлива ""перед подачей его в двигатель и влияющих на структуру системы подготовки при проектировании и модернизации судна или другого объекта.

Исследование, разработка и теоретическое обобщение положений, которые могут составить научные основы моделирования, расчета и выбора методов и технологических схем подготовки топлив, представляется весьма актуальными. Практические рекомендации, вытекающие из этих исследований, направлены на совершенствование проектирования и эксплуатации судов.

А

Тема диссертации непосредственно связана с тематикой нэу ных исследований Департамента речного флота.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение экономичности и эффективности технической эксплуатации судовых энергетических установок, использующих средне- и высоковязкие топлива, на базе решения следующих основных задач:

исследования топлива как дисперсной коллоидной системы и установление вида функции распределения частиц загряэнени! по размерам;

разработки методов анализа и моделирования физико-химических процессов в топливе в совокупности с физико-технолои ческими процессами подготовки и проверки в стендовых и натурных условиях адекватности создаваемых моделей;

разработки методологии анализа взаимодействия физико-технологических процессов в системах подготовки топлив;

разработки методов оценки эффективности методов и схем подготовки топлив;

применения физических и математических моделей и методов расчета к системам "топливо - технологическая схема. подготовки топлива - двигатель;

приложения разработанных теоретических положений к практическим задачам расчета и оптимизации систем подготовки то лив;

поиск новых нетрадиционных методов подготовки топлива.

На защиту выносятся:

1. Теоретические положения, рассматривающие топливо как сложную полидисперсную коллоидную систему, изменяющую свои свойства при наложении внешних воздействий.

2. Математические и физические модели функционирования методов и технологических схем подготовки средне- и высоковязких топлив.

3. Методики выбора режимов оценки эффективности средств и технологических схем подготовки топлив.

4. Результаты практического использования разработанных

моделей, методов и методик, представленных в виде технологических схем систем подготовки толлив на судах и бункеровоч-ных базах, номограммы по выбору технологических режимов обработки, инженерных методик расчета моделей систем подготовки.

5. Результаты исследований влияния воздействия электрического поля высокого напряжения на показатели качества тяжелых топлив и рабочие параметры дизеля.

Научная новизна. В работе реализован системный подход к процессам подготовки топлив. Разработанные на этой основе математические модели позволяют описывать физико-химические процессы в топливе с учетом физико-технологических процессов подготовки. Впервые топливо как рабочее тело системы рассматривается как сложная дисперсная система и как объект улучшения физико-химических свойств за счет внешних воздействий. Примененные физические и математические модели и методы являются универсальными и пригодны для всех видов топлив и различных энергетических установок.

Разработана методика оценки эффективности систем подготовки топлив на основе терыоэконоыического принципа.

Результаты работы являются теоретическим и экспериментальным обоснованием нового подхода к анализу и совершенствованию комплексов "топливо - технологическая схема подготовки топлива - двигатель

Впервые доказана возможность путем воздействия электрическим полем высокого напряжения улучшать показатели топлива, повышающие экономичность дизеля.

Практическая ценность работы. Разработаны технологические схемы систем подготовки топлив для судов, реализация которых позволяет снижать удельный расход топлива на судовую силовую установку. Разработаны технологические схемы систем подготовки топлив применительно к конкретным проектам бункеровочных станций для их модернизации. Создана методика выбора режимов работы судовых агрегатов подготовки топлив, позволяющих уменьшать в топливе концентрацию частиц опасных размеров, снижать время обработки топлива при его аварийном загрязнении (обводнении).

Разработана методика сравнительной оценки эффективности различных систем подготовки топлив, позволяющая выбирать оптимальные решения при проектировании и модернизации. Экспериментально доказана перспективность метода подготовки топлива в электрическом поле высокого напряжения.

Новизна и практическая значимость результатов работы подтверждается авторским свидетельством. Экономический эффект от внедрения результатов исследований, подтвержденный заказчиком, составил 670 тыс.руб. по ценам 1990 года.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в Минречфлоте РСФСР и вошли составной частью в комплекс мероприятий, связанных с экономией дизельного топлива. Разработанные системы подготовки топлива рекомендованы пароходству "Волготанкер" для модернизации бункеровочных станций. Система обработки топлива для многотопливного двигателя по авторскому свидетельству № 518571 внедрена в Балтийском морском пароходстве. Результаты работы в виде расчетных зависимостей, номограмм, рекомендуемых схем подготовки топлив вошли в "Руководство по применению тяжелых топлив на судах речного флота".

Апробация работы. Содержание работы поэтапно докладывалось на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛИВТа(1977-92 г.г.), на секши прикладных проблем АН СССР (Москва, 1983), на 1-й научно-технической конференции "Экономия топливно-энергетических ресурсов"(Ленинград,1984), на всесоюзной семинаре по экономии топлива (Пермь,1934), всесоюзной конференции "Обработка рабочих сред некоторыми физическими полями с целью повышения эффективности биологических и технологических процессов" (Ленинград,1983), всесоюзной конференции "Применение электромагнитной обработки топлива и масла" (Севастополь,1986), на постоянном семинаре "Рациональное применение топлив, смазочных масел и охлаждающих жидкостей" (Ленинград,1986), на семинаре "Использование и перспективы электромагнитной обработки судовых топлив и масел"(Севастополь,1988), на всесоюзной научно-технической конференции по проблемам экономии энергоресурсов (Ленинград, 1989). Результаты работы вошли в тематику НИР, материалы которых были доложены на заседаниях научно-технического Совета МРФ РСФСР .

?

Публикации. Оснрввде материалы и результаты диссертационной работы опубликованы в двух монографиях, 36 статьях, авторском свидетельстве и изложены в ряде научно-технических отчетов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, включающих 20 параграфов, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений; 299 страниц машинописного текста, 56 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЕАНИй РАБОТЫ

В первой главе анализируются системы и методы подготовки топлива на судах, изложен круг вопросов, который будет рассмотрен в диссертации, определяются задачи исследования.

Современные судовые системы топливоподготовки являются сложными системами, состоящими из значительного количества связанных между собой элементов. Их проектирование и эксплуатация осуществляется с учетом различных ограничений с целью получения на выходе из системы топлива с показателями качества, удовлетворяющими требования?/! двигателестроительных фирм, при минимизации затрат на процесс подготовки.

Решение такой задачи требует разработки методов их анализа и синтеза в направлениях:

анализа процессов, протекающих в элементах системы методами гидромеханики, термодинамики, теории подобия, теории дисперсных систем и др.;

изучения систем топливоподготовки как комплекса взаимосвязанных элементов методами системных наук.

В настоящее время выполнено большое количество работ по изучению основных процессов, протекающих в элементах систем топливоподготовки цразработки методов инженерных расчетов (центробежные сепаратора, фильтры, отстойники и т.д.).

Однако, как правило, имеются лишь ориентировочные данные и отсутствует необходимая информация (либо базирующаяся на недостаточном по объему эксперименте) по работе агрегатов подготовки.на топливах тяжелых сортов, что позволяет находить лишь ориентировочные решения по структуре систем топливоподготовки. Этим в большой степени объясняется то обстоятельство, что в судовой практике нет унифицированных систем топливоподготовки.

Обзор литературных данных и проведенный анализ показывает, что технологические схемы подготовки топлив (ТСПТ) состоят из элементов, в которых протекают типовые гидродинамические, механические и другие процессы и математические модели большинства из них уже созданы работами отечественных и зарубежных ученых: Г.Й.Бремера, В.И.Соколова, П.Г.Романкова, Д.й. Шкоропада, С.А.Плюшкина, З.А.Жужикова, Т.А.Малиновской, С.Ам-блера, А.Бруннера, М.Траубрицжа и других. Значительный вклад в теорию химмотологических основ применения топлив внесли К.К.Папок, Б.В.Досиков, С.Э.Крейн, А.А;Гурев|В, ¿.И.Гулин, В.А.Сомов, Г.Ф.Большаков и другие. В вопросах топливоисполь-зования применительно к различным объектам известны работы В.Ф.Большакова (силовые установки.судов морского флота),Г.Ш. Розенберга, Р.М.Юткевича (судовые ГГУ), В.М.Селиверстова, Ы.И.сраславского (силовые установки судов речного флота), М.А.Григорьева (автотракторные двигатели) и другие.

Основополагающие исследования в области центрифугирования, фильтрования, теплообмена и т.д. позволили решать вопросы проектирования и создания высокоэффективных технологических аппаратов, которыми комплектуются системы подготовки топлив. Созданные математические модели используются при расчетах агрегатов, оптимизации режимов и синтезе систем подготовки топлив.

Накоплен опыт эксплуатации систем подготовки топлив различных сортов и марок и богатый экспериментальный материал по оценке эффективности действующих агрегатов по обработке топлив в технологических системах подготовки .для различных энергетических установок.

Таким образом, имеются все предпосылки для создания высокоэффективных, экономичных систем подготовки топлив.

Однако проектирование ТСПТ в настоящее время ведется на основе полуэмпирических данных, технологические схемы выбираются интуитивно, полагаясь на опыт специалистов.

Практически у проектировщиков отсутствует ясное представление о будущих характеристиках функционирования технологической схемы системы подготовки, т.к. объединение агрегатов

производится без учета их взаимодействия в системе в целом.

В результате оказывается большое разнообразие технологических схем, многие из которых нерациональны, что усложняет и удорожает их эксплуатацию, снижает экономичность силовых установок в целом.

Разработка технологических схем, обеспечивающих максимальное использование подводимой энергии, правильное взаимодействие агрегатов, получение устойчивых характеристик топлива после обработки и другие вопросы эксплуатации требуют создания математических моделей, учитывающих (как указывалось выше) не только технологию подготовки топлива, но и сведения энергетического и стоимостного балансов. Осуществление таких задач требует комплексного системного подхода.

Не все технологические процессы, описываемые математической моделью, могут быть перенесены без коррекции на новую марку обрабатываемого топлива. Это связано с тем, что каждая обрабатываемая среда имеет свои физико-химические особенности, которые существенно сказываются на режимах работы агрегатов ТСЛТ. В этом случае необходимо находить новые оптимальные режимы, а иногда и новые технологические процессы (и нетрадиционные методы) обработки топлива.

Таким образом, в первой главе сформулирована основная направленность исследований - повышение экономичности и эффек-тианости технической эксплуатации судовых энергетических установок, использующих средне- и высоковязкие топлива, на базе решения задач: разработки методов анализа и моделирования физико-химических процессов в топливе в совокупности с физико-технологическими процессами; разработки методов оценки эффективности ТСЛТ; применения моделей и методов расчета к системам "топливо-технологические схемы подготовки- диигАтель " и разработки оптимальных технологических схем подготовки .

Вторая глава посвящена технико-экономическому и термодинамическому анализу ТСЛТ.

Система подготовки топлива может комплектоваться агрегатами различных марок. Могут также отличаться и технологические

схемы подготовки топлива. В связи с этим необходимо оценить как агрегаты подготовки, так и в целом технологические схемы по показателям сравнительной опенки.

Для агрегатов подготовки наиболее важным являются их технологические показатели качества. Поэтому при оценке средств очистки необходимо учитывать относительную концентрацию примесей ô и их максимальный размер частиц в топливе после обработки б'кр .

В случае равенства технологических показателей у альтернативных агрегатов обработки их выбор предлагается осуществлять по технико-экономическим показателям, к которым мы отнесли: потери топлива при его обработке 0/, , трудозатраты на обслуживание Втр , строительную стоимость (капитальные затраты) затраты энергии на привод агрегата , время , зат-

рачиваемое на обработку топлива данного объема, массогаба-ритные характеристики m и надежность А

Применение эксергетического метода термодинамического анализа к системам топливоподготовки и ее элементам позволяет получить обобщенные характеристики, дающие возможность сопоставлять агрегаты, отличающиеся по конструкции и условиям эксплуатации.

Таким образом при проектировании технологической схемы подготовки топлива (ТСНТ)проектировщик должен использовать показатели сравнительной оценки для выбора наилучшего оборудования, использование которого позволит решить поставленную задачу по подготоьке топлива и защите двигателя от вредного воздействия примесей. При этом анализе элементов проектируемой ТСПТ основными являются технологические показатели, т.е. относительная концентрация ô и максимальный размер частиц в обработанном топливе б"*? .

Если вопрос встает о выборе ТСПТ из имеющихся альтернативных вариантов, то определяющими в данном случае могут быть только экономические показатели, связанные со стоимостью ТСПТ. В этом случае технологические показатели уже заложены в рассматриваемые варианты и являются своего рода ограничителями концентрации примесей и размеров частиц.

Поэтому в показатель сравнения различных ТСПТ (критерий эффективности функционирования) должны входить составляющие, которые характеризуют данную технологическую линию в стоимостном выражении. К таким составляющим относятся: капитальные затраты, эксплуатационные затраты (энергетические и неэнергетические), стоимость потерянного при обработке топлива, стоимость необратимых потерь энергии.

В качестве основы для критерия эффективности функционирования ТСПТ на наш взгляд можно использовать концепцию (учитывающую термодинамические и экономические показатели), предложенную акад. В.В.Кафаровым и сотрудниками, тем не менее непосредственно к судовой ТСДТ применить ее без изменений и дополнений не представляется возможным.

Если количество элементов в ТСПТ ть , а мощность судовой энергетической установки будет учитываться количеством топлива б- , прошедшим в единицу времени через систему подготовки, то критерий эффективности функционирования для ТСПТ можно записать как п

Геи

( 1 5

где ^¿(Х.у)^^) " стоимость потерь эксергии, связан-

ных с необратимостью процесса;

Цр;(х,у)&шл - стоимость потерь, связанных с уходом топлива в шлам;

- стоимость единицы органической части топлива;

- стоимость единицы эксергии;

К; - капитальные затраты;

Э,- - эксплуатационные затраты;

У&Ц - область допустимых значений состояния системы, определяемая сортом топлива, мощностью установки и т.д.

Как следует из приведенного выражения член суммы

В/у.(у,у)/71{х) предполагает знание потерь эксергии в элементах ТСПТ.

Применительно к судовым агрегатам подготовки термодинамического анализа не проводилось. Поэтому нами была разработана методология определения необратимых потерь энергии в элементах

п

3(Х, ™»Щ(Е{ ик УШХ) + Ц/х

с помощью эксергетического принципа термодинамического анализа.

Был предложен эксергетический к.п.д. технологической схемы подготовки топлива в виде

°-эх с

где ЦП; - суммарная потеря эксергии в ТСПТ,

£хе„ - входная эксергия, подводимая к системе. Чтобы определить были найдены выражения для вы-

числения потерь эксергии конкретных агрегатов ТСПТ: отстойной цистерны

насоса

¡-А

топливоподогревателя

Пгп^&гС^-Т^ ^

6,2»

где Т0 Тот температуры соответственно окру-

жающей среды, начальная топлива, отстаивания 1

Г^ ^ Т^ - температуры соответственно топлива на входе и выходе из теплообменника

&н - производительность насоса.

Также были получены выражения потерь эксергии для других элементов ТСПТ (сепаратора, фильтра и др.).

С помощью полученных зависимостей можно анализировать термодинамическое совершенство различных схем подготовки, установить в каких элементах имеют место наибольшие необратимые потери. Такой анализ является основой по усовершенствованию технологической схемы.

Таким образом разработанная методология по вычислению потерь эксергии в элементах дает возможность определить критерий эффективности функционирования 3{Х,У) для любой ТСПТ

( при наличии данных по капитальным и эксплуатационным затратам). Та технологическая схема, у которой 3[Х,У) наименьший будет предпочтительней.

Нерешенным в этом случае остается вопрос, связанный с вычислением технологических показателей различных методов обработки. Иными словами необходимо получить аналитические зависимости, связывающие технологические показатели & и с конструктивными параметрами средств обработки и свойствами топлива как полидисперсной среды. Этим вопросам посвящены главы 3, 4 и 5.

В третьей главе обосновывается топливо как объект изучения при моделировании и расчете методов и технологических схем подготовки и показывается, что вопросы, связанные с исследованием, анализом, моделированием, расчетом и выбором рациональных методов и схем подготовки, являются составной частью химмотологии.

Представляя топливо как полидисперсную систему, которая изменяет свои свойства при внешнем воздействии, и анализируя характер распределения частиц дисперсной фазы по размерам, можно найти среднестатистическое распределение и установить функциональную связь между массой частиц и их размерами. Эта функция распределения является основополагающей при расчете эффективности агрегатов подготовки, их анализе и моделировании. Изучение проводилось двумя методами: статистическим (микроанализ) и седиментационным. Расхождение кривых распределения, полученных этими двумя методами не превышает 5Й.

Первый метод (микроскопический) дал возможность анализировать большое число проб топлив различных сортов и партий, отобранных и на судах и на бункеровочных базах. Второй способ (седиментационный) позволил получить функцию распределения путем аппроксима£щи кривой накопления осадка, которое достаточно просто свяеано с первой и второй производными кривой осаждения.

Вид функций плотности распределения при использовании их для получения уравнений описывающих процессы внешних воздействий на топливо как дисперсную среду, дают довольно простые

-выражения, удобные для инженерных расчетов.

Среднестатистическая функция распределения имеет вид

бо сС ^ + ^ 3 при ^ = 1,0; ¿1 = 36.

Глава четвертая посвящена анализу, моделированию и использованию физико-технологических процессов обработки топлива.

Задачей данного раздела работы явилось нахождение математических выражений, устанавливающих взаимосвязь между конструктивными параметрами агрегата обработки, свойствами топлива как по лидисперсной системы и технологическими показателями сравнительной оценки. В таком аспекте рассматриваются процессы: гидродинамические (отстаивание, сепарация, фильтрование), физико-механические (смешение, гомогенизация) и физико-химические (диспергирование с помощью присадок).

В связи с тем, что все рассматриваемые в данной главе методы требовали широкого эксперимента в лабораторных и натурных условиях ниже приведены краткие сведения об объектах и средствах экспериментальных исследований. В таблице указаны марки топлив, на которых осуществлялись эксперименты как в стендовых лабораторных условиях, так и на судах.

Таблица

* п/п Марка топлива -Средства очистки-

ОТ ЦС й Г ПР СМ эп

1 Моторное ДГ + + + + + +

2 Газотурбинное + + + +

3 Мазут флотский $5 + +

4 Мазут флотский Ф12 + +

5 Маловязкое топливо + + +

6 Мазут импортный

"Тин фьюил ойл" +

7 Мазут экспортный +10 ■ + + + 6 Смеси:

fT + керосин + 5 + керосин + моторное+дизельное + + $5 + дизельное + _мазут 40+дизельное_+_

Обозначения: ОТ - отстаивание; ЦС - центробежная сепарация; Ф - фильтрование; Г - гомогенизация; ПР - присадки; СМ - смешение; ЭП - электрическое поле.

• Отстаивание

Технологическим показателем оценки эффективности отстаивания может служить относительное количество дисперсной фазы б , прошедшее через фиксированное сечение за время 2Г Используя функцию распределения выражение для вы-

числения эффективности отстаивания ¿Г можно представить в виде

Окр

При допущении, что частицы имеют форму равновеликого шара и осаждение подчиняется закону Стокса, была получена зависимость для €> , выраженная через параметры дисперсной фазы, дисперсионной среды и конструктивные параметры.

5-6.Ш+

I \

Обобщение различных экспериментальных данных с нашими опытами, проведенными на топливах трех марок, дали возможность найти значения постоянных в полученной зависимости и разработать номограмму для определения эффективности и выбора режимов отстаивания.

По номограмме в зависимости от марки топлива и требуемой эффективности удаления воды и механических примесей можно определить необходимую температуру подогрева топлива и время отстаивания, либо найти концентрацию примесей к определенному времени отстаивания по высоте отстойной цистерны. Можно рашать и ряд других задач, возникающих при проектировании и эксплуатации.

Разделение в центробежном поле (сепарация)

I

Проведенные нами исследования по очистке топлив сепараторами различных марок показали, что предлагаемые в литературе методы расчета центробежных сепараторов в применении к очистке тяжелых топлив дают завышенные в несколько раз значения

, производительности и заниженные в 3 - 4 раза значения диаметра отделяемых частиц. Вследствие этого технологические режимы работы сепараторов, рассчитанные по существующим методам, не обеспечивают заданную чистоту очистки топлива.

Ъ результате проведения теоретических и экспериментальных исследований ( семи сортов топлива на восьми марках сепараторов) найдены зависимости для технологического расче-тз центробежных сепараторов, работающих на тяжелом топливе. При этом эффективность сепараши оценивалась с помощью относительной концентрации £с в следующем виде

4 =

где £с- - коэффициент, учитывающий удаление сепаратором кз топлива частиц ¿Г«= . Для распределения

выражение для <5С после интегрирования представляется в виде

6 ^

Для нахождения зависимости о^ от конструктивных параметров сепараторов, технологических факторов и свойств топлив были проведены исследования по обработке топлив различных сортов (ДТ, И2, Тин фьюил ойл) сепараторами разных марок ( СЦ-3, СЦС-3, РХ-109, МАРХ-309, ЭогЗ,¿5/*/, ЬАО& ). Получено выражение

' аН ф •

справедливое при 3,0 ЛО'3 ^ Рг ^ 9,0.10"^; 1,0 ^ 6,0; 0,25 ^Аг 0,3.

Предлагаемые выражения дают возможность решать следующие задачи:

определять крупность разделения и относительную концентрацию при известных свойствах топлива и дисперсной фазы и режимах работы сепаратора;

Pue.. HOMO ГРОМна для wsopa режимов сепарации

рассчитывать производительность сепаратора по заданной величине крупности разделения и марки топлива;

Полученные уравнения позволили разработать номограмму по выбору режимов сепарации, рис. А.

Разделение при прохождении через пористую перегородку (фильтрование)

Зная первоначальную функцию распределения примесей по размерам частиц у/^/ , можно выразить относительную концентрацию <Еф следующим образом

о

¿ели фильтр работает в диапазоне размеров частиц от 0 до (где - размер,соответствующей моде распределения), то

можно воспользоваться уравнением Годена-Андреева-Шумана. Тогда ¿С

- р

о

Исследование работоспособности фильтра на тяжелых топливах, осуществляемое в лабораторных и натурных условиях, велось в следующих основных направлениях:

установление закономерностей фильтрования, т.е. определение зависимости лР=$(т:) и лР=для каждого типа фильтра;

определение тонкости фильтрования , т.е. макси-

мального размера частиц механических примесей после прохождения фильтровальной перегородки топливом с изучением гистограмм распределения частиц по размерам до и после фильтра;

определение относительной концентрации механических примесей и воды в топливе после прохождения фильтров.

Были испытаны фильтры иностранного производства - Софранс (Франция), Скаматик (Франция), Винслоу (Англия), Болл (Германия) и отечественные ТПВФ и ФГН.

Установлено, что эффективность процесса фильтрования зависит от физических свойств и сортности топлив и поэтому нэ все-

гда соответствует закономерностям процесса, заложенным при проектировании фильтров. Определены законы, по которым -проходит процесс фильтрования в элементах конкретного конструктивного оформления, перспективных и используемых на судах и бункеровочных базах фильтров. Доказано, что эффективность очистки тяжелых топлив от воды у фильтрующих установок ниже, чем у центробежных сепараторов. Преимущества фильтрующих установок состоят в меньших потерях топлива и трудозатратах при обслуживании.

Смешение легкого топлива с тяжелым

При моделировании процессов смешения представляет интерес изучение дисперсных частиц асфальтенов, связав кинетику их укрупнения и осаждения с марками топлив и со временем хранения смеси после ее обработки.

Статистическая обработка данных микроанализа проб топливных смесей показала, что распределение частип асфальтенов по размерам подчиняется закону гамма-распределения.

Кинетика осаждения асфальтенов при хранении определяется теми же факторами, что и отстаивание механических примесей.

Для нестабильных топливных смесей найдено выражение изменения концентрации асфальтенов С* вследствие их коагуляции и седиментации, связывающие свойства топлива, высоту емкости, время и коэффициент совместимости ¿с , удовлетворяющим топливным смесям девяти вариантов: при > о 82

1 , Кот • И I

1 78- 1.27&с)*\

при 0,Ь2 &с < 0,96

г

/ , Ког И_

1

при 0,96 < < 1,05

U

Кот ' И

Z//¿?3 - /5.5 £с)'

Диспергирование

При моделировании метода гомогенизации было рассмотрено два момента. Первый, когда гомогенизатор не дробит механические примеси, ¿го конструкция предусматривает в этом случае только диспергирование асфальто-смолистых веществ. При гомогенизации первоначальное значение концентрации примесей остается неизменным, т.е. С= ¿V • Но значительно меняется дисперсность асфальто-смолистых включений, т.е. меняются параметры первоначальной функции распределения jffá)

Было найдено, что значение параметра ¿Г лежит в пределах:

Z 4 для топлив типа М 40,

0,6 й-¿Té 1,5 для топлив типа мазут + Ю°С, 0,5^ а 1,0 для топлив типа ДГ, £5,<¡>12. В случае, когда диспергируются механические примеси можно принимать параметр ¿C лежащим в пределах В ^ == 5.

При оценке эффективности процесса диспергирования асфальто-смолистых веществ с помощью присадок изучалась кинетика седиментации асфальтенов в неустойчивых топливных смесях. Используя найденные нами закономерности осаждения механических примесей и асфальтенов в тяжелых топливах и их смесях были найдены зависимости, которые моделируют процесс воздействия присадок на дисперсную фазу топлива. Исследования по седиментации асфальтенов при воздействии диспергирующих присадок позволили определить значения параметров функции распределения после воздействия присадок. Было установлено, что параметр 1,0.

При этом параметр принимает следующие значения:

мкм для присадки ВНИМНП 102, Ó~0 = 5,4 мкм для присадки Mi Г, ¿C = 6,2 мкм для присадки ДйОААлл.

Проведенные исследования дали возможность найти соответствующе зависимости для моделирования процессов диспергирования при гомогенизации и воздействии присадок.

Пятая глава посвящена взаимодействию физико-технологиче-скя1-' процессов б технологической схеме подготовки топлива, б которых применяются сочетания различных методов подготовки, определяемые логикой технологического процесса и дкзпззо-Н01-; прх^эняэмых марок топлива, поэтому предстчвляло интерес оценить взаимодействие методов обработки при их различном сочетании и оценить их взаимодействие при комплексном использовании с точки зрения влияния этих совместных воздействий на дисперсную фазу, которая определяет с одной стороны пригодность применения топлива в данном двигателе, с другой - возможность прохождения топлива по самой технологической линии без образования осадков (отложений) на фильтрах, в трубопроводах и т.д. Были рассмотрены различные комплексы обработки: отстаивание с последующей сепарацией ( иТ + Сц ); отстаивания с последующим фильтрование-ем ( ОТ + * ); отстаивание с последующей гомогенизацией и фильтрованием ( ОТ + Г + & ); сепарация с последующим фильтрованием ( ЦС + 5? ); воздействие диспергирующих присадок перед сепарацией (ДП + цС ); схемы включения сепаратора в расходную цистерну (ЦС + РЦ).

Комплекс ОТ + ЦС оценивался с помощью относительной концентрации = С'с /Са , где Ск' , Со кон-

центрация дисперсной фазы соответственно после сепарации и до отстаивания.

При допущении, что послз предварительного отстаивания частицы примесей по объему топлива распределены равномерно, относительная концентрация комплекса ОТ + ЦС представляется в виде

При допущении о применимости уравнения Годена-Андреева получено выражение

(л<-2 п^.

где , соответственно крупность разделения

при сепарации, при отстаивании и текущее значение диаметра частицы; П. - параметр распределения.

Комплекс ОТ + $ оценивался с помощью относительной концентрации £0Т+<} ' Гйв ' ~ соот_

ветственно концентрация примесей в топливе после фильтра и начальная концентрация перед отстойной цистерной.

Предельно допустимому перепаду давления на фильтре будет соответствовать определенное предельное значение массы осадка Ог , которое может задержать фильтр. При моделировании и расчете данного комплекса зная время работы фильтра без предварительного отстаивания можно оценить на сколько оно снизится в зависимости от разных режимов отстаивания.

Используя выражение функции распределения можно

определить долю дисперсной фазы ^ » осевшей на фильтре при тонкости фильтрования сГ

Если через фильтр пройдет <? кг топлива, а концентрация примесей после предварительного отстаивания составит С , то масса осадка на фильтре определится выражением

с?

Масса осадка Ооо*? будет пропорциональна времени работы фильтра до наступления предельного перепада давления. При

моделировании и расчете, зная время работы фильтра без предварительного отстаивания, можно оценить на сколько оноизме-

нится от различных режимов отстаивания.

Комплекс ОГ + Г + Ф оценивается с помощью относительной

концентрации дисперсной фазы £0т+г+ф ~ ' гае

СС - соответственно концентсаиия примесей а топ диве

после фильтра с прзцвэрительной гомогенизацией и начальная концентрация перед отстойной цистерной, ¿шотность распределения механических примесей после отстаивания выражается формулой

, где (Г - сПу^г ■ Проиент ди-

сперсной фазы, осевшей на фильтре после гомогенизации определится выражением (2.) . После воздействия гомогенизатора практически плотность распределения механических пржесей ис меняется, Дисперсность асфальтенов при этом воздействии резко возрастает. Причем по экспериментальным данным ■ асфаль-

тенов после гомогенизации не превышает 3 мкм, а основные параметры распределения: О^^икн, ¿£ = {мкнг б*- /, О. Таким образом на фильтре осядут частицы механических примесей размером от до <£™*от , а частицы асфальтенов пройдут практически вместе с фильтруемым топливом. Следовательно, на срок службы фильтра до наступления предельного перепада давления лР будут влиять только механические примеси.

Комплекс ЦС + О оценивался относительной концентрацией <5 _ = С^ /с где С„ С- соответственно конпен-

цс+ф / о > О , V

грация начальная и после фильтрации. После центробежной-сепарации максимальный размер частиц, оставшихся в топливе находится по формуле (к) . Плотность распределения дисперсной фазы после сепарации определяется формулой 4(6") с параметрами . и <Г0с . Процент дисперсной фазы, оставшейся в отфильтрованном топливе, рассчитывается по формуле (Ь) . Тогда концентрация примесей в топливе посла фильтрации (с предварительной сепарацией) выразится

где

Сс - С-1

С о

Комплекс ДП + ЦС и ДП + Ф.При введении диспергирующих присадок в топливе возрастает дисперсность асфальтенов, что влияет на количество асфальто-смолистых веществ, выделяющихся в барабане сепаратора, т.е. на потери горючей части топлива. Без ввода присадки количество выделившихся асфальто-смолистых веществ в барабане сепаратора можно вычислить, ис -пользуя формулу для механических примесей (¿) . Откуда крупность разделения асфальтенов

в^-в '

где

•и» [Гг/ у Ж ф

т

соответственно плотность асфальтенов и топлива. Числа подобия и /т" , определяющие режим сепара-

ции, не зависят от плотности дисперсной фазы, как и отношение производительности Ср к разделяющему фактору сепаратора ф

Количество выделившихся асфальто-смолистых веществ можно определить по формуле

о /

где С* - процентное содержание асфальтенов в топливе, по массе.

И - определяется по формуле (3 ), при этом по экспериментальным данным можно принять равной 0,1.

Введение присадки в топливо будет учитываться в этом случае величиной л . Величины и , характеризующие плотность распределения, будут меняться в зависимости от диспергирующих-, свойств присадки.

¿> случае ввопа присадки и последующей фильтрации в формулу для лбе нужно поставить вместо (^>с,г значение

Комплекс ЦС + РЦ. При оценке этого комплекса были рассмотрены три схемы включения сепаратора в топливную систему. В схеме I сепарация топлива осуществляется при перекачивании топлива из танка в расходную цистерну, ь схеме П сепаратор подключен к расходной цистерне байпасно. а И схеме топливо сепарируется при перекачивании из танка в расходную цистерну при повышенной производительности сепаратора. Затем сепаратор подключается байпасно к расходной цистерне и происходит окончательная очистка топлива.

С помощью дифференциальных уравнений изменения концентрации дисперсной фазы от С0 до Сс рассматриваемые схемы были проанализированы с точки зрения времени, затрачиваемого на сепарацию топлива заданного объема при прочих равных условиях (вязкость, плотность и пр.).

Для каждой из рассматриваемых схем были определены соответствующие выражения для времени работы сепаратора в виде функции

Анализ полученных уравнений показал: при значении более эффективна схема П, при Са = 1,0...1,5$ схемы I и Ш равноценны, при Св -1,5 схема Ш эффективнее и ее эффективность увеличивается с возрастанием Св

Таким образом в результате выполненного в главе пятой анализа возможно не только выбирать оптимальные режимы обработки при комплексном использовании средств подготовки, но и решать вопросы о целесообразности использования того или иного комплекса для конкретного условия.

Найденные зависимости позволяют производить расчет наиболее важных комплексов обработки топлива.

Шестая глава посвящена применению математических моделей и методов расчета к системам "топливо - 'ГСДТ - двигатель". Свойства каждой из этих трех подсистем определяются: топливо - функцией распределения массы частиц дисперсной фазы по

размерам; ТСПТ - агрегатами подготовки; каждый из которых описывается своей математической моделью; двигатель - количеством и маркой потребляемого в единицу времени топлива, допустимым процентным содержанием воды и механических примесей, размером частиц дисперсной фазы, оставшихся в обрабатываемом топливе и поступающем в двигатель.

Для принятого в настоящей работе математического описания процессов подготовки (обработки) необходимо решить систему уравнений для заданной совокупности внешних условий, к которым мы отнесли следующие:

подвод к ТСПТ топлива с заданными количественными и качественными характеристиками;

качественные характеристики топлива на выходе из системы; тип комплекса обработки топлива; количество подводимой теплоты и электроэнергии; конструктивные характеристики комплектующего оборудования; последовательность соединения всех элементов в технологической схеме.

Общим для всех моделей является использование следующих допущений:

исходное топливо подается в систему подготовки судна, пройдя предварительную очистку на бункеровочной базе, что ограничивает диапазон размеров частиц дисперсной фазы по ;

частицы дисперсной фазы при подходе к элементу обработки распределены равномерно по объему топлива;

в качестве расчетного загрязнителя приняты свойства карбенов и карбоидов.

Математическая задача расчета режимов обработки топлива при заданной совокупности внешних условий состоит в последовательном решении системы уравнений, описывающих процессы обработки топлива различными методами, их. взаимодействие в ТСПТ с учетом необратимых потерь. ^

Алгоритм решения системы уравнений математической модели можно рассматривать как совокупность двух алгоритмов. Первый (алгоритм технологического расчета системы подготовки топлива) обеспечивает расчет технологических характеристик * второй -

(алгоритм расчета потерь эксергии и критерия эффективности ТСПТ) определяет ценность затраченной энергии и ее потерь и оценивает стоимость этой системы в целом.

В работе приводятся модели и алгоритмы анализа и расчета судовых технологических схем подготовки топлива, которые могут быть положены в основу разработки программного обеспечения для автоматизации проектирования судовых ТСПТ.

На основании разработанных моделей, алгоритмов и методик были предложены рациональные ТСПТ для судов и бункеровочных баз. Комплексная система подготовки топлива, на базе которой были разработаны ТСПТ для судов, защищена авторским свидетельством № 516571.

Глава седьмая посвящена новому нетрадиционному способу обработки топлива в электрическом поле высокого напряжения. ¿Зыбор объектов исследования, которыми явились топлива тяжелых сортов обусловлен следующим. Тяжелые сорта топлива представляют собой сложные нефтяные дисперсные системы. Если рассматривать "чистое" топливо, то основным источником заряженных частиц в нем являются процессы гомолитической диссоциации соединений топлива, протекающие с образованием свободных радикалов. Причем количество парамагнитных частиц увеличивается с утяжелением нефтяных фракций. В этой связи воздействие электрического . поля на топливо более тяжелых сортов представлялось нам и более перспективным, т.к. парамагнетизмом обладают нефти и нефтепродукты благодаря входящим в них смолисто-асфальтовым компонентам. А с утяжелением топлива, как известно, количество смолисто-асфальтовых соединений в них возрастает.

Современное представление тяжелых топлив как коллоидной системы, в которой асфальтены диспергированы в высокомолекулярных угледоводороцах и образуют устойчивую микрогетерогенную систему с высокой полидисперсностью, позволяет применить к ним элементы ДЛФО - теории о межмолеклярном взаимодействии. Однако здесь нам хотелось бы разделить два момента. Первый -рассмотрение топлива как дисперсной системы на коллоидном уровне. Второе - анализ топлива как грубодисперсной системы, в которой дисперсионной средой является само топливо, а дис-

персная фаза образуется частицами механических примесей и глобулами воды. Напомним, что распределение массы дисперсной фазы по размерам частиц мы описали в главе 2.

В первом случае к топливу применим подход З.С.Сюняева , при котором в топливе формируются сложные структурные единицы сферической формы ССЕ, способные изменять в топливах заряды и электрическую проводимость. В этой связи те сорта тяжелых топлив, которые мы выбрали в качестве объектов исследований (моторное ДГ, газотурбинное, мазут Ф5) наиболее склонны к формированию дисперсных частиц из асфальтенов. Такие топлива являются и более электропроводными. В результате эффективность воздействия на них внешним электрическим полем (что и подтвердили наши исследования) оказывается большей, чем на дизельное топливо.

Во втором случае мы имеем дело с топливом, содержащим механические примеси и воду. Влияние этих примесей на электрофизические свойства топлив достаточно известны. Наличие воды в топливе позволяет рассматривать его как водото-пливную эмульсию типа в/м и при анализе поведения такого топлива в электрическом поле использовать основы теории образования эмульсий.

Если на топливо наложить постоянное электрическое поле высокого напряжения и отбирать пробы топлива из зоны положительного электрода и из зоны отрицательного электрода, то одним из показателей характеризующим степень данного воздействия, как мы установили, является редокс потенциал еН.

И.Л.Герловин сформулировал физические основы воздействия сильных полей на жидкие среды на основе созданной им теории фундаментального поля. Автор утверждает, что здесь имеют место такие взаимодействия в веществе, которые приводят к структурному активированному состоянию данной среды. При этом энергия молекулы может и не измениться, а активные свойства молекулы определяются только изменением ее внутренней структуры. Разделяя эту гипотезу мы ниже будем пользоваться термином "активация", опуская слово "струк-

турная".

Наши исследования по активации тяжелых топлив разделяются на два этапа:

изучение влияния активации на некоторые показатели качества топлив, нахождение оптимальных режимов обработки;

изучение влияния активированного топлива на работу дизеля с замером показателей, характеризующими рабочий процесс, экономичность двигателя и его изностойкость.

Было установлено, что чем больше разница в значении еН' топлива исходного к обработанного, тем сильнее воздействие поля. Поэтому перед началом эксперимента по определению различных характеристик топлива осуществлялась тарировка по выбору оптимального расхода топлива при неизменном напряжении. Значения расхода, соответствующего максимальной разнице еН обработанного и исходного топлива,были использованы при проведении экспериментов по определению влияния электрообработки на такие показатели качества топлив, как: поверхностное натяжение, вязкость, фракционный состав, испаряемость, температура вспышки и теплота сгорания.

Вопрос о времени сохранения новых свойств топлива после активации имеет очень важное значение. В связи с тем, что эффект проникновения частиц через потенциальный барьер, а значит и время релаксации, являются функцией таких величин как масса частицы, среднее значение дипольного плеча , потенциальной энергии и других величин традиционных квантовых методов физики и анализ их влияния на время релаксации выходит за рамки настоящей работы, мы в наших исследованиях ограничились только констатацией времени перехода системы . из метастабильного состояния в первоначальное, Уход из ме-тастабильного состояния во времени происходит плавно, снижаясь до первоначального значения и практически через 40-45 минут после воздействия показатели качества топлива приходят к первоначальным значениям. Поэтому в связи с непродолжительным временем нахождения топлива в метастабиль-ном состоянии все замеры и использование активированного топлива необходимо осуществлять незамедлительно после обработки.

В наших исследованиях особое внимание было уделено влиянию активации на поверхностное натяжение топлива (5пн .

Можно предположить, что энергия межмолекулярных взаимодействий ослабляется под действием электрического поля. Косвенным подтверждением этого служит улучшение растворимости активированного топлива, приводящее к изменению оптической плотности раствора (светопропускание повышалось). По сравнению с исходным топливом максимальное изменение (снижение) поверхностного натяжения составило в наших экспериментах При этом было зафиксировано время релаксации порядка 40 минут.

Были также проведены опыты по предварительной обработке топлива ультразвуком с последующим наложением электрического поля. В результате эффект обработки усилился и величина &„н снизилась на 10&. Возможно при воздействии ультразвука происходит разрыв двойного электрического слоя, в результате чего возникает разность потенциалов между подвижной (диффузионной) и наподвижной (адсорбционной) частью двойного электрического слоя, и наложение поля усиливает ослабление межмолекулярных связей.

Снижение €>„„ вызывает увеличение испаряемости топлива и соответственно снижение температуры вспышки. Для изучения влияния активации на испаряемость были проведены эксперименты по определению фракционного состава топлива и сырой нефти до и после активации.

На основании этих исследований было установлено, что активация способствует более полному выходу легких фракций как при перегонке нефти, так и топлива. При этом в диапазоне от 140 до 160°С процент приращения за счет активации достиг 39% по сравнению с неактивированной нефтью. Для топлива наибольший прирост наблюдался в диапазоне 180-200°С и 220-240°С,Рис2.

Было также установлено, что при увеличении выхода легких фракций после активации снижаются температура вспышки нефтепродукта и его вязкость.

Полученные результаты по влянию электрообработки на показатели качества топлив явились базой, позволившей перейти к более детальному изучению влияния активации на теплоту сгорания топлива. Предполагалось, что увеличение теплоты сгорания

лУ,

мл

20 -<5 -

Ю

---1

160 -/so ¿00 22D ¿40 260 ¿80 °C

Рис. 2. Приращение oó¡'e»oé фракций^ aVмл смеси

fnowué ¿T U Ф5~. Oíd температуры} °С. -йсхоРиаъ смесь

-----Q И/пи£сгро6аш/ег Я

зг

топлива может произойти за счет снижения потерь на диссоциацию вещества, которая всегда сопровождает процесс горения и потребляет часть выделившейся при этом тепловой энергии. Каждая серия испытаний предусматривала последовательное определение теплоты сгорания топлива обработанного и исходного. Для характеристики случайной погрешности вычислялась средняя квадратичная погрешность, определение доверительного интервала учитывалось коэффициентом Сгыодента при коэффициенте надежности 0,99.

Необработанное исходное топливо имело теплоту сгорания

42720 ± 590 кДж/кг. При этом число опытов V было равным 10. Теплота сгорания активированного топлива, отобранного из зоны катода, составила = 44920 - 1300 кДж/кг (при п. = 17), а отобранного из зоны анода ф, = 42330 - 1730 кДж/кг. (при п = II). Следовательно, по сравнению с исходным в первом случае повысилось на Щ>> а во втором снизилось на 1%. Таким образом было установлено влияние на теплоту сгорания знака заряженных частиц.

В другой серии экспериментов, проведенном на моторном,риеЗ, топливе ДТ и отобранном из зоны катода средний прирост теплоты сгорания составил 10% а максимальный процент прироста достиг 29,7%. Все полученные значения лежат выше величины утроенного доверительного интервала, что дает основание рассматривать эти опыты как достоверные. Пробы топлива, отобранные из зоны анода дают снижение теплоты сгорания в сравнении с исходной. Этому было уделено внимание и проведены опыты с использованием катадизатора для повышения количества диссошшрованных частиц. В этой серии испытаний, проведенных на двух калориметрах одновременно было зафиксировано повышение на 1ь,5£ катодной фракции и снижение на IЬ% анодной фракции.

Таким образом статистически достоверно установлена принципиальная возможность ( число опытов п ">■ 50) увеличения теплоты сгорания топлива путем его активации. Активация дает временное увеличение этого показателя у топлива, отобранного из зоны катода. При этом ыетастабильное состояние держится 40-50 минут. Одновременно у топлива, отобранного из зоны анода теплота сгорания понижается.

КИж/к,

55000

50000

(47460)

45000

(42650)

х

о ера Бота иное

X

неоерА£атАн*ое ^

_и.

J_и

* 2 3 4 £ е 772.

О Рь/ГП 6/

Рис. Б Прирост теплоть/ сгорания топли8а /¡Т.

Возможность повышения теплоты сгорания топлива открывает широкие перспективы повышения экономичности двигателя, т.к. на сколько повысится теплота сгорания на столько же снизится расход топлива. Однако здесь встречаются определенные сложности, которые требуют дальнейших глубоких исследований.

Стендовые испытания двигателей на топливе, прошедшем электрообработку

Данный этап исследований включал изучение влияния активированного топлива на показатели работы дизеля и базировался на результатах воздействия электрообработки на показатели качества топлива.

Полученные на первом этапе данные позволили сделать предположения, что активация топлива повысит кпд дизеля, снизив расход топлива за счет повышения его теплоты сгорания. Кроме того снижение поверхностного натяжения должно было улучшить полноту сгорания. Было также сдедано предположение о возможности снижения износа деталей ЦПГ дизеля при его работе на активированном топливе. Испытания проводились на двухтактном дизеле ЪИА/С 170/600 - НР . Кроме штатных приборов стендовая установка оборудована комплексом приборов, предназначенных для регистрации быстропротекаю-щих процессов в цилиндре двигателя с последующей математической обработкой полученных данных. Было получено, что при 100%-ной нагрузке снижение расхода составило 6,8$ (разброс значений не превышал 1,5$). Активация топлива практически не влияет на среднее индикаторное давление и давление начала видимого сгорания. Период задержки воспламенения существенно снижается, что говорит об улучшении распыла топлива и появлении в нем активных молекул. В результате более быстрого воспламенения улучшается сгорание топлива.

Были проведены также износные испытания на одноцилиндровом вихрекамерном дизеле I Ч 10,5/13. Эти испытания преследовали цель определить влияние активированного топлива на износ ЦПГ. Износ определялся с помощью радиоактивных

изотопов по скорости изнашивания верхнегопориневого кольца. Топливо было обработано по двум программам активации. В одном случае износ снизился в 1,28 раза, а во втором - скорость изнашивания снизилась в 1,34 раза.

На основании полученных результатов можно сделать выаод о существенном повышении качества топлива за счет улучшения его протдаоизиосных свойств при активации. В целом проведенные исследования по воздействию электрического поля на топливо позволяют говорить о перспективности данного направления. Ценность данных результатов мы видим также в том, что они были получены не на моделируемой установке, а непосредственно на работающем двигателе. Поэтому проведение исследования позволяет рекомендовать этот способ обработки в системах топливоподготовки на судах.

Заключение

Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы определяются следующими полученными результатами:

1. Разработаны принципы математического описания системы "топливо - технологическая схема подготовки топлива -двигатель" и алгоритмы анализа и расчета поведения системы в реальных условиях эксплуатации. Созданы математические модели методов и технологических схем подготовки топлив, отражающие технологические и информационные связи, структуру схемы и характеристики ее элементов.

2. Предложены и обоснованы технологические и технико-экономические показатели сравнительной оценки методов и средств подготовки топлива и критерий эффективности функционирования ТСПТ, основанный на термоэкономическом принципе, что дает возможность устанавливать наиболее рациональные области применения различных методов обработки топлива и их сочетаний в реальных условиях эксплуатации и сопоставлять альтернативные варианты при проектировании.

3. Разработана методология сранительной оценки термодинамического совершенства ТСПТ на базе эксергетического метода анализа. Получены выражения для расчета эксергетического кпд ТСПТ и необратимых потерь эксергии в элементах технологической схемы.

4. Для топлива как полицисперсной системы с помощью мето-нов микроскопирования и седиментации найдено выражение функции распределения массы примесей по размерам частиц в дифференциальной и интегральной форме, являющейся основой при изучении эффективности обработки топлива в системе топливо-подготовки.

5. Научно обоснован рациональный подход к расчету гидродинамических процессов обработки топлива с разработкой уточненных зависимостей и критериальных уравнений и номограмм для определения рациональных областей применения этих методов в ТСГГГ и выборе режимов эксплуатации.

6. Моделирование физико-механических и физико-химических процессов позволили получить аналитические зависимости изменения концентрации асфальтенов при их коагуляции и седиментации в нестабильных и метастабильных смесях вследствие несовместимости исходных топлив, а также изменения дисперсности асфальтенов при их диспергировании присадками и гомогенизаторами. Найденные зависимости являются основополагающими при моделировании процессов смешения, гомогенизации •

и воздействия диспергирующих присадок при подготовке топлива.

7. Впервые проведены экспериментальные исследования воздействия электрического поля высокого напряжения на эксплуатационные характеристики тяжелых топлив и на показатели работы дизеля. Установлено, что путем электрообработки возможно снизить поверхностное натяжение, увеличить испаряемость, увеличить петановое число. Стендовые испытания по влиянию электрообработки топлива на рабочий процесс в цилиндре двигателя показали повышение экономичности работы дизеля и позволяют рекомендовать этот способ обработки в системах топливоподготовки.

8. Статистически достоверно доказана возможность повышения теплоты сгорания топлива при его структурной активации.

9. Структурная активация топлива позволяет снизить в 1,3 раза износ деталей цилиндро-поршневой группы.

10. Разработана методология оценки и получены математические модели взаимодействия физико-технологических процес-

сов при их комплексном использовании в ТСПТ, являющиеся составной частью разработанных алгоритмов анализа и расчета ТСПТ.

11. Научно обоснованные математические модели физико-химических процессов в топливе в совокупности с физико-технологическими методами подготовки дали возможность создать алгоритмы анализа и расчета судовых технологических схем подготовки топлива.

12. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования и разработанные модели, алгоритмы и методики позволили предложить и апробировать в эксплуатации рациональные технологические схемы подготовки топлива.

13. Новизна и практическая значимость поцверждается авторским свидетельством. Внедрение на судах системы подготовки топлива по авторскому свидетельству дало экономический эффект 269000 руб ( по цецам 1990 г.). Народнохозяйственная значимость разработок подтверждается актом Департамента речного флота и составляет 400000 руб. (по ценам 1990 г.).

14. Результаты данной работы вошли составной частью в два новых курса, читаемых на судомеханическом факультете Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций (спей. 14.02.00 и 14.03.00). Учебниками по данным дисциплинам являются книги, в которых изложены основные положения диссертации.

15. Системный подход и универсальность методик позволяют применять их почти для любых топливных систем различных энергообъекгов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Средства очистки жидкостей на судах: Справочник (под общей редакцией к.т.н. Иванова И.А.). Л.Судостроение, IS84.-272 с.

2. Очистка топлива на речном флоте. - М. .-Транспорт, 1986.-224 с. (в соавторстве).

3. Руководство по применению тяжелых топлив на судах речного флота. - Л.: Транспорт, 1982.- 82 с.(в соавторстве).

4. Исследование очистки различных сортов тяжелого топлива.// Тр.ЦНИИМФ.- 1971,вып.144.-с.12-19.

5. Определение функции распределения загрязнений в тяжелых топливах. //Тр.ЦНИИМФ, Техн.экспл.фл. - 1973, № 178.-с.76-79.

6. Испытания фильтрационной установки на т/х "Капитан Плахин".//Речн.трансп. - 1978, № 3.-с.24-25 (в соавторстве).

7. Подготовка топлив методом гомогенизации.//Судостроение за рубежом.- 1979..3.-с.40-41.

8. Обзор патентов по гомогенизаторам и эмульгаторам топлив и результаты их опытной эксплуатации .//Судостроение за рубежом.- 1982.- № I. - с.36-48.

9. Оценка эффективности очистки топлив различных сортов фильтром ФГН.//В кн.: Повышение эффективности и надежности энергетических установок судов речного флота.// Сб.науч. тр. - Л. Транспорт, - 1983. - с.39-43.

10. Оценка эффективности оистем судовой топливоподготовки с помощью эксергетического принципа.//В кн.:Судовая энергетика и топливоиспользование.//Сб.науч.тр. ЛИВТ.-Л..-Транспорт.- 1984.-с.69-71.

11. Совершенствование бункеровочного хозяйства.//Речной транспорт, № 9.- 1984 (в соавторстве).

12. Исследование влияния электрообработки топлив на его поверхностное натяжение.//Тр.ЛИВТ. - вып.1991 г.-с.16-18 (в соавторстве).

13. Технологический расчет топливных сепараторов.//Тр. ЦНИИМФ, Техн.экспл.флота, вып.161.- 1972.

14. Исследование работы сепараторов СЦС-3 и МАРХ-309

на тяжелом топливе.// Тр.ЦНИИМФ, Техн.Экспл.Флота, вып.128.-1970.-с.59-65.

15. Диспергирующе-стабилизирующая эффективность опытных присадок к топливам.//Химия и технология топлив и масел.-М.- № 12.- 1984.-с.12-15 (в соавторстве).

16. Анализ эффективности сепарации топлива в зависимости-

от схемы включения сепаратора в топливную систему.// Тр. ЩШШФ, вып. 126, 1970, с.65-70.

17, Оборудование систем топливоподготовки.// ЦБНТИ ММО,-I97I.-Jfo8.-c.6-I4.

Ib. Система обработки топлива для судового многотопливного двигателя внутреннего сгорания. A.c. № 5I657I, 1976. Кл. F 02 М 33/00 (в соавторстве).

19. Выбор средств очистки для систем судовой энергетической установки // Судостроение.-1981.-№ 5, с.24-27.

20. Оценка эффективности очистки топлив с помощью современных фильтрующих установок //Тр.ЦНИИМФ, вып.215, 1976, с.16-27 (в соавторстве).

21. Сравнительные испытания сепараторов топлива // ЦБНТИ ШФ, Техн.экспл.флота, 1972, - » I, с.29.

22. Рекомендации по проектированию двухтопливных систем для судов речного флота // ЦБНТИ МРФ,- 1984, № 6.- 8 с.

(в соавторстве).

23. О применении топливных смесей в энергетических установках // Химия и технология топлив и масел.- 1981, № 4.- с.21-24.

24. Влияние электрообработки на эксплуатационные показатели топлива // Совершенствование техн.обсл.СЭУ.:Сб.науч. тр. -Л.:ЛИЗТ, 1983. (в соавторстве).

25. Термодинамический анализ судовой системы топливоподготовки // Совершенствование техн.обсл.СЭУ: Сб.науч.тр.-Л.:ЛИВТ, I9ob, с.5Ь-64 (в соавторстве).

26. Использование энергии физического вакуума при активации жидких топлив // В кн.:0сновы единой теории всех взаимодействий в веществе. Л.:Энергоатомизцат.- 1990.-е.394-103.

27. Методология оценки выбора систем судовой топливоподготовки // Тр.ЛИВТ.-1990.-вып.193,с.34-36.

„Отпечатано на_Ротап£гат в СППТЖ_ 6.10.93 г. Тираж 100 экз. Заказ 88. Бесплатно.