автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Совершенствование системы питания водотопливными эмульсиями судовых вспомогательных дизелей с использованием поточного влагомера

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ВОДОТОПЛИВНЫМИ ЭМУЛЬСИЯМИ СУДОВЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОЧНОГО ВЛАГОМЕРА

Специальность 05.08.05. - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань-2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ) на кафедре «Эксплуатация водного транспорта»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Покусаев Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Овсянников Михаил Константинович кандидат технических наук, профессор Кадиев Пашай Абдулгамидович

Ведущая организация: ЗАО Судостроительно-судоремонтный

Защита состоится 17 декабря 2004 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета К 307.001.02. в Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева 16, гл. учеб. корпус, ауд. 309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан ноября 2004 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

завод им. Ленина группы компаний «Волготанкер»

кандидат технических наук, доцент

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач экономического развития России, является внедрение ресурсосберегающих технологий, основанных на экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленности, в том числе на флоте - крупнейшем потребителе нефтяного топлива. Эта задача приобретает все большую значимость в связи с ограниченностью мировых запасов нефти и постоянным ростом мировых цен на нефть и нефтепродукты. Другой не менее важной задачей является улучшение экологических показателей энергетического оборудования потребляющего это топливо. Данная задача приобрела особую актуальность в связи с принятием Международной Морской Организацией (ГМО) в 1997 г. приложения VI к MARPOL 73/74, согласно которому выброс вредных веществ с уходящими газами должен быть резко сокращен. Одним из методов, позволяющих решить эти задачи, является метод сжигания водотопливных эмульсий (ВТЭ). Большинство разработанных и внедренных на судах систем подготовки ВТЭ относится к котлам и главным двигателям, работающим на тяжелых сортах топлива. Этим системам свойственно приготовление ВТЭ механическими смесителями и ее хранение в расходных цистернах, а также циркуляционных контуров для поддержания качества приготовленной эмульсии. Судовые вспомогательные дизели в основном работают на топливах, эмульсии которых не обладают достаточной устойчивостью. Вспомогательным дизелям, также свойственны переменные нагрузочные режимы работы а, следовательно, при их работе на ВТЭ необходимы системы, обеспечивающие приготовление ВТЭ с необходимым содержанием в них воды в зависимости от нагрузки. Такие системы невозможно создать без устройств или аппаратов для получения ВТЭ в небольших объемах, а так же поточных влагомеров и датчиков влажности В ГЭ. Поэтому их разработка и внедрение в производство является актуальной проблемой.

Цель и задачи исследования. Разработка, исследование и опытная апробация системы питания ВТЭ судовых вспомогательных дизелей с использованием струйного диспергатора и поточного влагомера ВТЭ.

В диссертационной работе поставлены следующие задачи:

- провести анализ технологических процессов подготовки и использования ВТЭ в судовых дизельных установках;

- провести анализ методов влагометрии, существующих конструкций поточных влагомеров и датчиков влажности нефтепродуктов;

- разработать методику сравнительного расчета времени испарения капли топлива и ВТЭ при условиях, соответствующих концу процесса сжатия дизеля;

- разработать методику расчета струйного диспергатора для приготовления ВТЭ в небольших объемах;

■ разработать методику расчета поточного датчика влажности ВТЭ; разработать поточный его градуировки;

- разработать систему питания ВТЭ дизелей 6ЧН25/34;

- провести исследовательские испытания новой конструкции поточного влагомера на разработанном стенде и экспериментальную проверку работоспособности системы питания дизеля 1Ч17,5/24 ВТЭ;

- провести эксплуатационные и теплотехнические испытания системы питания ВТЭ судовых вспомогательных дизелей на судах рыбопромыслового флота: жиромучных заводах (ЖМЗ) типа Днепр» и рыбо-добывающих и обрабатывающих судах (РДОС) типа «Моряна»;

- внедрить разработки в учебный процесс АГТУ при подготовке инженеров по специальностям 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 140200 «Судовые энергетические установки».

Методы решения задач исследования. Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых, как О.Н. Лебедев, В.А. Сомов, Ю.Б. Свиридов, В.Ф. Большаков, В.М. Иванов, М.К. Овсянников, В.П. Родионов, Д.Н. Вырубов, Ю.И. Воржев, Л.В. Сергеев, Э.С. Кочанов, В.Н. Клейтон, Г.А. Морозов, О.А. Гладков, В.Л. Беляев, М.А.Берлинер, И.Б. Моик, Н.А. Рогов, В.К. Бензарь и др.

При проведении анализов технологических процессов подготовки и использования ВТЭ, методов влагометрии и конструкций поточных влагомеров использовался комплексный подход, основанный на достижениях науки и техники в судостроении, нефтехимической, химической и пищевой промышленности. По результатам проведенных анализов сформулированы и реализованы в разработках требования к системе приготовления и питания вспомогательных дизелей ВТЭ, поточному влагомеру ВТЭ и стенду для его градуировки и исследовательских испытаний.

При проведении исследовательских испытаний поточного влагомера руководствовались ГОСТ 14203-69 «Нефть и нефтепродукты. Ди-элькометрический метод определения влажности».

Исследовательские испытания системы приготовления ВТЭ производилось на экспериментальной установке с дизелем 1Ч17,5/24 лаборатории тепловых двигателей АГТУ, оборудованной средствами контроля и измерения параметров работы, обеспечивающих точность проводимых замеров в соответствии с нормами, установленными ГОСТ 10448-80 «Дизели стационарные, судовые и тепловозные. Методы испытаний».

Теплотехнические и эксплуатационные испытания работы дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ проводились на судах типа «Днепр» и «Моряна» ОАО «Каспрыбхолодфлот» по специально разработанным и одобренным Астраханской инспекцией Российского морского регистра судоходства программам.

Научная новизна:

- систематизированы достижения науки и техники в области вла-гометрии нефти и нефтепродуктов и дана характеристика тех из них, которые могут быть использованы при мониторинге влагосодержания ВТЭ;

- предложена методика сравнительного расчета времени испарения капли топлива и ВТЭ при условиях, соответствующих концу процесса сжатия дизеля;

- разработаны инженерные методики расчета поточных датчиков влажности ВТЭ и струйного диспергатора для приготовления ВТЭ в малых объемах для вспомогательных дизелей, работающих на переменных нагрузках;

- созданы поточный влагомер ВТЭ и стенд, позволяющий производить его градуировку и исследовательские испытания;

- создана система приготовления и питания дизелей ВТЭ с необходимым содержанием в них воды в зависимости от типа дизеля, его нагрузки, сорта используемого топлива или топливных смесей.

Практическая ценность:

- опубликовано учебное пособие, рекомендованное УМО по образованию в области кораблестроения и океанотехники РФ и допущенное управлением кадров и учебных заведений Государственного комитета РФ по рыболовству для студентов высших учебных заведений по направлению подготовки дипломированного специалиста 652900 - «Кораблестроение и океанотехника», специальности 140200 «Судовые энергетические установки»;

- предложена обобщенная функциональная схема автоматизации технологических процессов топливоподготовки на судах, с использованием разработанного поточного влагомера и разработаны рекомендации по использованию поточного влагомера при проектировании и эксплуатации систем управления и контроля судовых дизельных установок.

- внедрена на судах типа «Днепр» и «Моряна» ОАО «Каспрыбхо-лодфлот» автоматическая система приготовления и питания дизелей 6ЧН25/34 ВТЭ;

- внедрены в учебный процесс АГТУ по специальным дисциплинам «Автоматизированные системы управления СЭУ и их эксплуатация», «Автоматизация СЭУ» и дисциплины по выбору «Химия воды и топлив» лабораторные установки «Автоматическая система приготовления и питания дизеля 1Ч17,5/24 ВТЭ» и «Стенд для градуировки поточных влагомеров судовых топлив и ВТЭ».

Личный вклад автора. Основные теоретические и экспериментальные результаты в период 1984 - 2004 получены лично автором, в том числе - с использованием консультаций научного руководителя к. т. н., доц. М.Н. Покусаева. Исследования по хоздоговорным темам проводились под руководством к. т. н., доц. Л.В. Сергеева, а разработка поточного влагомера с использованием консультаций к. т. н., доц. Э.А. Артемьева, за что автор выражает им свою благодарность.

Реализация результатов исследования. Основные материалы и результаты исследований были использованы при проектировании и до-

оборудовании систем приготовления ВТЭ вспомогательных дизелей 6ЧН25/24 судов типа «Моряна» и «Днепр» ОАО «Каспрыбхолодфлот».

Данные исследования переданы государственному предприятию «Каспгипрорыбфлот» для использования в работах по проектированию новых и модернизации эксплуатируемых систем приготовления ВТЭ.

Результаты диссертационной работы применяются в АГТУ при подготовке бакалавров по направлениям 552100 «Эксплуатация транспортных средств (на водном транспорте) и 552600 «Кораблестроение и океанотехника» и инженеров по специальностям 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 140200 «Судовые энергетические установки».

Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось на заседаниях кафедр «Судовые силовые установки» и «Эксплуатация водного транспорта»; заседаниях Ученого совета института Морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (1985-2004 г.); школе-семинаре «Использование гидротоплива в судовых силовых установках» (г. Севастополь, 1987 г.); научно-технической конференции, посвященной 300-летию Российского флота в АГТУ (1997 г.); международной выставке Инрыбпром (г. Санкт-Петербург 2002 г.); пятом межрегиональном семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики и машинодвиже-тельных комплексов», проводившейся под эгидой Института проблем машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург) и Лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при АГТУ (2003 г.); межведомственном научно-техническом семинаре «Гидромеханика и теплообменные процессы современных технологий» при АНИПИгазе (г. Астрахань, 2003 г.); четвертом международном семинаре инновации и инвестиций (г. Москва, 2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 учебное пособие, 1 авторское свидетельство на изобретение 1 статья в журнале по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, и содержит 112 страниц текста, 31 рисунок, 16 таблиц, список использованных источников из 102 наименований.

В первой главе произведен обзор технологических процессов подготовки и использования ВТЭ, методов контроля влажности нефтепродуктов и измерительных средств, используемых на судах, проведены анализы методов влагометрии и физических свойств ВТЭ, измерительных схем поточных влагомеров и конструкций датчиков влажности.

Исследования физико-химических свойств, особенностей процессов сгорания и влияния ВТЭ на токсичность выпускных газов, угар смазочного масла, индикаторные и эффективные показатели дизелей и кот-

лов в 50 - 70 годы в СССР носили академический характер и проводились многими научными коллективами. В 80 - 90-х годах результаты данных разработок начали применяться на судах. Обобщающие результаты этих исследований приведены в монографиях В.М. Иванова, О.Н. Лебедева, В.А. Сомова. За рубежом применение ВТЭ в дизелях интенсифицировалось ведущими дизелестроительными фирмами («Вяртсиля», «Зульцер» и др.) и корпорациями (MAN D&W, Thames Petroleum и др.) в связи с принятием международных конвенций и соглашений об ограничении вредных примесей в уходящих газах. Эффективность использования ВТЭ объясняется улучшением процесса смесеобразования («микровзрыв», макросмесеобразование) и влиянием водяных паров на кинетику реакций сгорания. Оптимальное содержание воды в ВТЭ, полученное исследователями на различных типах дизелей, составляет 4 -5-24% и зависит от многих факторов: конструктивных особенностей двигателя, его технического состояния, нагрузки и качества подготовки ВТЭ. Поэтому для эффективного использования ВТЭ на конкретном типе дизеля необходимы специальные исследования влияния массовой доли воды в ВТЭ на экономические и экологические показатели его работы. Так, например, исследования работы вспомогательных дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ смеси дизельного топлива с моторным топливом, добавляемым в ВТЭ в качестве эмульгатора, показали на то, что оптимальное содержание воды в эмульсии зависит от состава ВТЭ и нагрузки дизеля. Кроме того эмульсии такого типа не обладают достаточной устойчивостью и для их эффективного использования необходимы устройства приготовления ВТЭ непосредственно перед топливными насосами высокого давления.

Одно из перспективных направлений приготовления водотоплив-ных эмульсий - кавитационное эмульгирование, которое может осуществляться либо в ультразвуковых установках, либо в камерах-смесителях с использованием высоконапорных струй, либо путем механического перемешивания. В литературе в основном встречаются исследования процессов эмульгирования в ультразвуковых установках или перемешивающих устройствах. Однако, в настоящее время очень интенсивно происходит внедрение в промышленности и струйного кавитационного эмульгирования. В этом случае для смешивания и синтеза высокодисперсной среды используется кавитирующая высоконапорная струя. Детальный механизм образования капель эмульсии пока не известен, поэтому разработка струйных диспергаторов основывается на результатах экспериментов. Системы с такими устройствами могут обеспечить равномерное распределение водной фазы в объеме топливной среды, и позволяют приготавливать эмульсии необходимого состава в зависимости от нагрузки дизеля, но при наличии средств непрерывного контроля влажности ВТЭ.

Однако, применяемые в настоящее время на судах лаборатории анализа топлив и масел СКЛАМТ, ЭЛАН, СЛЭК могут быть использо-

ваны только для эпизодического контроля влажности ВТЭ в силу используемых в них физико-химических методов. Для этого необходимы поточные влагомеры и датчики влажности ВТЭ. Применяемые в России в нефтяной, пищевой и химической промышленности поточные влагомеры, например, Волгоградского НИИ нефтяной и газовой промышленности, Рязанского филиалом СКБ АНН и Саратовского КБ нефтяной и газовой промышленности и зарубежных фирм, таких как «Фишер», «Филипс Петролеум» и других, не отвечают требованиям к судовым условиям эксплуатации. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки поточных влагомеров судовых топлив и ВТЭ. Работ в этом направлении пока мало и носят они в основном исследовательский характер.

Решающее значение при разработке измерительных средств является правильность выбора метода измерения. Наиболее полно химические и физико-химические методы описали в своих работах Г.Ф. Ничу-говский, И.Б. Моик, Н.А. Рогов, А.В. Горбунов, а физические методы -В.Л. Беляков, М.А. Берлинер, В.К. Бензарь. При использовании химических и физико-химических методов о содержании воды судят по объему образующегося газа, в результате химических реакций реактива с водой или изменению какой либо физической величины. Физические методы дают мгновенный отклик измеряемого параметра. В качестве измеряемого параметра, по которому можно судить о содержании в топливе воды могут быть использованы: плотность, вязкость, акустические, теплофи-зические и электрические свойства. При разработке поточных влагомеров, для различных отраслей промышленности, исследователями были получены наилучшие результаты при использовании диэлькометриче-ских методов. Точность, достигаемая при этом, настолько высока, что в ряде случаев диэлькометрические методы вводятся в стандарты в качестве образцовых методов, а на диэлькометрический метод определения влажности нефти и нефтепродуктов разработан ГОСТ 14203-69. Из множества формул, предложенных для определения диэлектрической проницаемости, в практике наибольшее распространение получили уравнения Д.А. Бруггемана, Т.С. Раму и Н.И. Рао. Диэлектрическая проницаемость - параметр, определяющий емкостные свойства жидких сред и показывающий, во сколько раз емкость конденсатора с исследуемой средой превосходит емкость аналогичного вакуумированного конденсатора.

К наиболее ответственным узлам диэлькометрических поточных влагомеров жидкостей относятся датчики. Основным преимуществом бесконтактных датчиков, нашедших широкое применение в высокочастотных и сверхвысокочастотных влагомерах, является то, что они не создают сопротивления движению рабочей среды и менее подвержены загрязнению. Однако их применение в судовых дизельных установках затруднено из-за сильного влияния на точность измерения изменяющихся температур окружающей среды или самого топлива и помех электриче-

ского происхождения. Применение контактных датчиков позволяет создавать достаточно точные приборы для измерения влажности ВТЭ на судне. Их можно классифицировать по форме, взаимному расположению, количеству и материалу электродов.

Измерительные схемы датчиков влажности жидких топлив крайне разнообразны и зависят от того, какую из задач они позволяют решить: изучение структуры и свойств топлив и ВТЭ; контроль чистоты топлива; анализ состава бинарных и многокомпонентных смесей и эмульсий. Измерения диэлектрической проницаемости производят либо в переменных полях, либо при постоянном токе. Широкий диапазон используемых частот при измерении диэлектрической проницаемости (от 0 до 30 ГГц) не может быть охвачен единым методом измерения. Поэтому в каждом поддиапазоне частот существует свой предпочтительный метод. Наибольшее развитие получили нулевые, реализующиеся с помощью различного рода мостовых схем, и резонансные методы. Фундаментальные работы в указанных направлениях принадлежат Нестеренко А.Д., Карандееву К.Б., Кнеллеру В.Ю., Гриневичу Ф.Б, Штамбергеру Г.А., Передельскому Г.И., Волгину Л.И., Мартяшину А.И. и другим ученым.

По результатам проведенных анализов поставлена цель и задачи исследования. Сформулированы требования к теоретическим и практическим разработкам по улучшению эффективности использования ВТЭ.

Во второй главе приводятся теоретические разработки по улучшению эффективности использования ВТЭ: методика сравнительного расчета времени испарения капли ВТЭ и чистого топлива; методика расчета струйного кавитационного диспергатора и методика расчета емкостного датчика влажности ВТЭ.

Эффективность применения ВТЭ вместо чистого топлива с целью ускорения процесса смесеобразования может быть оценена сопоставлением длительности прогрева, и испарения капли чистого топлива с длительностью процесса прогрева капли эмульсии до наступления «микровзрыва». Предлагаемая методика расчета основана на развитой профессором Д.Н. Вырубовым теории испарения капли топлива. В его работах рассматривается установившийся процесс испарения, происходящий при постоянной температуре поверхности капли ? = обуславливающей баланс теплоты, поступающей к капле от среды и расходуемой на испарение топлива. Скорость испарения зависит от рода топлива, давления среды и температуры поверхности капли согласно уравнению:

где: Б - диаметр капли; т - время испарения капли; кк> - коэффициент диффузии при нормальных условиях; рт - плотность топлива; рс и ро -давления конца сжатия и в окружающем воздухе; А, В - константы.

Время полного испарения капли: т = D2/ КТмм, где KrUm = const

скорость испарения при равновесном испарении. Полное испарение капли завершает первый период процесса смесеобразования чистого топлива. При сжигании ВТЭ этот период процесса смесеобразования завершается в момент «микровзрыва» капли, который может наступить до того, как температура поверхности капли достигает равновесного значения. Поэтому для определения времени наступления «микровзрыва» необходимо исследовать процесс подогрева капли и определить момент, когда температура водяного ядра достигает температуры кипения при давлении конца сжатия рс.

Подогрев капли происходит за счет разности между теплотой, поступающим к капле от окружающей ее среды путем конвективного теплообмена

и теплотой, расходуемой на испарение топлива с поверхности капли

где: А-возд - коэффициент теплопроводности воздуха; 1с - температура воздуха в конце сжатия; Д/ - увеличение теплосодержания топлива.

Решая в дальнейшем полученное при этих условиях дифференциальное уравнение, прибегая при этом к некоторым допущениям (равенство конвективного и диффузионного критериев Нуссельта .Мкконв = Л^диф ~ Ни) и аппроксимациям получим уравнение для определения времени наступления «микровзрыва»:

хеева как получим безразмерный вид

уравнения:

Правая часть зависит только от степени сжатия, рода топлива и начальной температуры t0 Зависимость Мувзр для момента микровзрыва от степени сжатия £ для дизельного топлива марки Л при t0 = 50°С показана на рисунке 1. На рисунке 2 приведены значения у, равные отношению времени испарения чистого топлива Тисп ко времени наступления «микровзрыва» капли эмульсии Твз> с объемной долей воды Ж " 5 -г- 30% для разных степеней сжатия

Qkohb - xdnu kmma.bou {tc -1) ,

( 273 +J'

Рисунок 1 - Зависимость критерия от степени сжатия е

20 25 Ж,0/«

Рисунок 2 - Зависимость \|У от Wm для различных степеней сжатия 8

моторное топливо

дизельное | топливо

Рисунок 3 - Струйный кавитационный диспергатор

хЮ^ЯСрз)

х! 0 ИС

вода

0) 600

400

200

//

У

/ ч

3

О 20 40 У/,%

Рисунок 4 - Зависимости параметров КС схемы замещения датчика от Wv

на основе:

1 - дизельного топлива по ГОСТ 305-82

2 - моторного топлива по ГОСТ 1667-68

3 - мазута Ф-12 по ГОСТ 10585-75

Рисунок 5 - Общий вид экспериментальной установки

подвод воздуха

Рисунок 7- Принципиальная схема стенда для градуировки и испытания поточных влагомеров судовых топлив и ВТЭ

'—Сан

а)

дизельное топливо

б)

моторное вода

топливо мытьевая

П тх_ Т

'дизельноед ЧХ-Г топливо ^—X—1

(м) Ю О

|-СхЗ-]5л

(•СхИ5л

Рисунок 8 - Принципиальные схемы систем приготовления и питания дизелей ВТЭ

а) 6ЧН25/34 ЖМЗ "Дон" (с циркуляционными цистернами);

б) 1417,5/24 экспериментальной установки;

в) 6ЧН25/34 ЖМЗ "Дон" (с кавитационным диспергатором);

г) 6ЧН25/24 РДОС "Моряна" (с кавитационным диспергатором)

Д&г/кВт-Ч (Дёе=ёе"ёе )

N5= 300 кВт

260 г/кВт-ч 500

N = 225 кВт

256 г/кВт.ч 400

Ме=150 кВт ge= 270 г/кВт-ч

3

N,5= 75 кВт ge= 378 г/кВт-ч

0 5 10 15 \Ут,%

Рисунок 9 - Зависимость отклонения Ее от 'ЭДШ на различных нагрузках

20 30 40 50

Рисунок 10 - Показания влагомера N в зависимости от 'ЭДу

при подключении к входу влагомера - датчика с ВТЭ дизельного топлива, эталлоных конденсаторов

Рисунок 11 - Результаты индицирования дизеля 1417,5/24 на ВТЭ с 20 %

рЕ - давление газа, 1 - температура на поверхности огневого днища цилиндровой крышки; рп - давление топлива за ТНВД, р^ - давление топлива до форсунки, - перемещение иглы распылителя Е^г/кВт.ч

40

Рисунок 12 - Зависимость Ее от ^Ш дизеля 1417,5/24 при нагрузке 110 %

50 75 Ре /Ре°М.*/»

Рисунок 13 - Нагрузочные характеристикидизеля 6ЧН25 / 34

• - приработе на смесидизельного и моторного топлива в отношении 9.1; о - при работе на ВТЭ с ^Ш = 10%

При разработке методики расчета струйного диспергатора для приготовления ВТЭ были использованы, получившие в последние десятилетия достижения в области струйных технологий. Для смешивания и синтеза высокодисперсной среды в этом случае используется кавитирующая высоконапорная струя. Основное условие кавитационного режима истечения жидкости (для затопленной струи) можно получить из уравнения Бернулли:

где: р и с- давление и скорость в напорном трубопроводе, рк - давление в камере у сопла, сс - скорость истечения из сопла, ф = 0,95 - коэффициент, учитывающий потери скорости при истечении.

Организация движения высоконапорных струй моторного топлива и воды в объеме диспергатора, затопленном дизельным топливом при невысоком давлении, приводит к образованию кавитационных каверн, к разрыву топлива и воды. При условии: рк<рн (где рн давление насыщения) режим истечения из сопла будет кавитационным. Основным показателем, характеризующим кавитационный режим, принят параметр кавитации 0 — pjpc- Кавитация затопленных струй воды и топлива в замкнутом объеме существует при 9 < 0,27 и наиболее развита п р fl К и ч е с к о е значение параметра кавитации изменяется обратно пропорционально относительному расстоянию от насадка 0кг- X — 1,2 . Указанные параметры позволяют определить относительную величину полного давления при кавитационных режимах по уравнению:

/3 = -£- = в+(1-0)йехр[С(1,2-вХ)г] >

где: В = 1,88Х° 4" ехрНОДОДО - 0,00396Х)2], С = 0,1351 - 0,68,

X - относительное расстояние от насадка.

Совместная оценка полного давления Р и параметра кавитации 9 дает возможность определять границы существования кавитации затопленных струй топлива и воды в малых объемах диспергатора (F= 10"3 -г-2-10'3 При оптимальной длине внутреннего объема диспергатора (для

судовых дизелей с часовым расходом ВТЭ до 100 кг/ч) параметр кавитации <<0,27, что характеризует наличие кавитационного эмульгирования в дис-пергаторе. Эти условия легли в основу разработки конструкции диспергатора для судовых дизелей типа 6ЧН 25/34 (Рисунок 3). Размеры сопел определялись исходя из секундного расхода топлива и воды Vai ,м3/с: Ven ~ N,.gcк/(3600рк), где: Nt - эффективная мощность, кВт; geiC - удельный эффективный расход компонента ВТЭ, кг/кВт.ч; рк - плотность компонента, кг/м3. Площадь проходного сечения сопловою отверстия Fe, м2:

/"с = ^сп/(СсЦ), где: ц = 0,7 - 0,8 - коэффициент истечения. Диаметр соплового отверстия с1с, мм: ^ =\ . Для обеспечения работы разработанного по данной методике струйного диспергатора с малым объемом камеры и небольшими расходами компонентов ВТЭ был использован выпускаемый отечественной промышленностью дозировочный электронасосный агрегат типа НД...Э с автоматическим регулированием подачи компонентов мощностью 0,25 кВт.

В основу методики расчета емкостного датчика, выполненного в виде коаксиальной цилиндрической системы электродов, образующих два измерительных пространства (рабочее и эталонное пространство) была использована известная формула для расчета емкости конденсатора с цилиндрической коаксиальной системой электродов, а для определения диэлектрической проницаемости ВТЭ формула Винера-Вагнера. На рисунке 4 показаны расчетные зависимости параметров В€ схемы замещения (параллельное соединение емкости и сопротивления) для принятых размеров датчика от объемной доли воды в ВТЭ на основе различных сортов топлива.

В третьей главе приводятся практические разработки по улучшению эффективности использования ВТЭ: экспериментальная установка с дизелем 1417,5/24; системы приготовления и питания дизелей 1417,5/24 и 64Н25/34 ВТЭ различных конструкций; поточный влагомер ВТЭ и стенд для его градуировки и исследовательских испытаний.

Исследовательские испытания работы дизеля на ВТЭ проводились на одноцилиндровом отсеке дизеля 3№УО 24 (1417,5/24), оборудованного нагрузочным устройством, контрольно-измерительной аппаратурой и необходимыми системами управления. На рисунке 5 показан общий вид установки. Нагрузочное устройство обеспечивает работу дизеля в диапазоне 0 -т- 110% его номинальной мощности. Эффективная мощность развиваемая дизелем, определялась по показаниям электроприборов - амперметру и вольтметру типа М45-М. Частота вращения п вала дизеля штатным тахометром. Часовой расход топлива В определялся мерными емкостями и секундомером СК-1 при данной температуре топлива. Измерение расхода воздуха производилось двойной диафрагмой и дифференциальным жидкостным манометром. Температура на поверхности огневого днища цилиндровой крышки и индикаторные диаграммы цикла рабочего процесса дизеля осциллографом Н - 115, усредненные индикаторные диаграммы индикатором МАИ-2, температуры рабочих сред, стенки цилиндра и цилиндровой крышки на переходных режимах самопишущим прибором КСП-4. Массовая доля воды в ВТЭ определялась по результатам анализа проб в теплотехнической лаборатории ОАО «Каспрыбхо-лодфлот» и контролировалась разработанным поточным влагомером. Другие параметры контролировались по штатным приборам дизеля.

Принципиальная схема электронного поточного диэлькометриче-ского влагомера ВТЭ с цифровым выходным сигналом и временные диа-

граммы, поясняющие его работу, показаны на рисунке 6. Схема включает емкостные датчики, представленные в виде двух параллельных схем замещения (рабочего и эталонного пространства), операционных усилителей А и А', компараторов К и К', схем совпадения Э и Э', реверсивного счетчика КС, регистра хранения цифровых данных Кв, дешифратора сигналов, цифрового индикатора, устройства управления и ключей. Принцип измерения основан на том, что емкостные датчики (конденсаторы) заряжаются до строго определенного напряжения и далее разряжаются через один из резисторов, подобранных для каждого из диапазонов измерения. При этом эталонный Сх и рабочий Со датчики разряжаются по экспоненциальным зависимостям, характеризуемым постоянными времени которые зависят от влажности и сорта топлива.

Основным недостатком всех влагомеров и измерительных преобразователей является необходимость их градуировки на используемый сорт топлива и его эмульсии. Принципиальная схема разработанного для этих целей стенда показана на рисунке 7. Стенд позволяет приготавливать ВТЭ методом добавок воды, градуировку поточных влагомеров и датчиков влажности судовых топлив и ВТЭ и проводить исследования влияния на точность измерения параметров состояния контролируемой среды (расхода, давления и температуры).

Схема установки приготовления и питания дизелей 6ЧН25/34 ВТЭ с циркуляционными цистернами на ЖМЗ «Дон» приведена на рисунке 8а. Данная установка предназначалась для определения экономической целесообразности перевода дизелей с дизельного топлива на ВТЭ на судах флота рыбной промышленности Каспийского бассейна, разработки требований к автоматическим системам приготовления и питания дизелей ВТЭ в соответствии с классом автоматизации судов и рекомендаций по приготовлению ВТЭ с оптимальным содержанием в них воды.

Принципиальные схемы автоматических систем приготовления и питания дизеля 1417,5/24 (рисунок 8б) и дизелей 6ЧН25/34 судов типа «Днепр» (рисунок8в) и «Моряна» (рисунок 8г) имеют в своей конструкции струйные диспергаторы и отличаются друг от друга только типом использованных дозировочных насосов и приготовлением двух или трех компонентных ВТЭ. Автоматические системы отвечают следующим требованиям: автоматический переход работы дизеля с дизельного топлива на ВТЭ и, наоборот, при заданных нагрузках; приготовление ВТЭ необходимой дисперсности и состава; наличие средств защиты от случайного обводнения топливной системы двигателя; малые затраты электроэнергии на приготовление ВТЭ; соответствие средств автоматизации (контроля, управления и защиты) классу автоматизации судна; наличие устройства, обеспечивающего постоянный контроль влажности ВТЭ.

В четвертой главе приводятся результаты исследовательских испытаний работы дизеля 1417,5/24 на ВТЭ и поточного влагомера судо-

вых топлив и ВТЭ, сравнительных теплотехнических и эксплуатационных испытаний дизелей 6ЧН25/34 на судах типа «Днепр» и «Моряна» оборудованных системами приготовления ВТЭ различной конструкции и результаты их обследования после длительной эксплуатации.

Сравнительные швартовные теплотехнические испытания дизель-генератора, оборудованного системой приготовления ВТЭ с циркуляционными цистернами, судна ЖМЗ «Дон» проводились совместно с представителями ОАО «Каспрыбхолодфлот» при стоянке судна в Астраханском рыбном порту. В качестве нагрузочного устройства был использован водяной реостат, установленный на палубу судна. Изменение удельных расходов топливной смеси, на различных нагрузках, в зависимости от массовой доли воды в ВТЭ приведены на рисунке 9. Полученные результаты позволили наложить следующие требования и дать рекомендации по совершенствованию систем приготовления нестабилизиро-ванных (обладающих низкой устойчивостью) ВТЭ:

- приготовление ВТЭ необходимо осуществлять в небольших объемах непосредственно перед топливоподкачивающим насосом дизеля. Это позволит не только приготавливать ВТЭ нужного состава для данной нагрузки, но и существенно сократить затраты на электроэнергию за счет использования менее энергоемкого оборудования;

- система приготовления ВТЭ должна предусматривать возможность автоматического введения ее в действие при достижении нагрузки превышающей 60% от номинального значения мощности дизельгенера-тора;

- система приготовления ВТЭ должна иметь устройства для обеспечения постоянного контроля влажности ВТЭ и для автоматического поддержания в эмульсии оптимальной концентрации воды в зависимости от нагрузки дизельгенератора.

Разработка поточного влагомера завершилась серией испытаний влагомера и его макета, представленного одной измерительной цепью с основным датчиком. В результате проведенных испытаний макета влагомера проверены основные технические решения, заложенные в устройстве, определены область применения и условия эксплуатации, а также получены градуировочные характеристики и количественные оценки его метрологических характеристик. Испытания влагомера проводились в два этапа. На первом этапе к входу влагомера подключались эталонные (калибровочные) конденсаторы магазина емкости и производилась оценка среднего квадратического отклонения результата наблюдения и дополнительных погрешностей параметров измерительного блока и внешних факторов. Среднее квадратическое отклонение результата наблюдения найдено расчетным путем по данным градуировочной характеристики и экспериментально полученным показаниям, снятым при установке произвольных значений емкости образцового конденсатора. Результаты

вычислений показали, что среднее квадратическое отклонения не превышает 10 пФ для диапазона измерения 500 пФ. Результаты температурных испытаний показали, что дополнительная погрешность от изменения температуры окружающей среды на ±30°С практически отсутствует. Изменение напряжения питания сети в пределах +10% и -15% от номинального значения не приводит к появлению дополнительной погрешности. Изменение длины кабелей от 2 до 15 м не вызвало изменений показаний влагомера.

На втором этапе испытаний к входу измерительного устройства подключался основной датчик с ВТЭ, и производилась его градуировка на эмульсии дизельного топлива. Эмульсию составляли по объему обезвоженного топлива и воды. Для градуировки влагомера были разработаны таблицы добавок воды, в зависимости от диапазона измерения (0 + 15%, 0 -=- 60%). Проверка воспроизводимости выполнялась путем десятикратных повторных измерений одного итого же образца. Показания снимались с интервалом 5 минут. Зависимость показаний влагомера - числа пропускаемых импульсов вырабатываемых опорным генератором N, от объемной доли воды Wv в ВТЭ при подключении к входу влагомера эталонных конденсаторов магазина емкостей и датчика с ВТЭ на основе дизельного топлива представлены на рисунке 10.

Испытания дизеля 1417,5/24 проводились по нагрузочной характеристике в лаборатории тепловых двигателей АГТУ и носили сравнительный характер, так как отличались между собой только используемым топливом и ВТЭ с различной массовой доли воды. Испытания проводились в следующей последовательности: тарировка датчиков перед испытаниями; подготовка к пуску и пуск дизеля; прогрев дизеля и вывод его на заданный режим; трехкратный замер параметров работы дизеля с одновременной записью 8 -=■ 10 последовательных цикловых осциллограмм рабочего процесса и топливоподачи; остановка дизеля; тарировка датчиков после испытания. На рисунке 11 в качестве примера приведены результаты индицирования дизеля при его работе на ВТЭ с 20% массовой долей воды в эмульсии. По результатам испытаний получены нагрузочные характеристики при работе дизеля соответственно с 0, 5, 10, 15, 20, 30, 50% содержанием воды в эмульсии. Обработка нагрузочных характеристик позволила построить зависимость удельного расхода топлива ge от массовой доли воды Wm в эмульсии на различных нагрузочных режимах. На рисунке 12 приведена зависимость ge от Wm на 110% нагрузке дизеля, на которой получено наибольшее снижение удельного расхода топлива.

Сравнительные эксплуатационные теплотехнические испытания дизелей 6ЧН25/34 оборудованных автоматической системой приготовления ВТЭ с дозировочным электронасосным агрегатом и струйным дис-пергатором проводились с целью: определения параметров дизеля и об-

служивающих его систем при работе на дизельном топливе, смеси дизельного топлива с моторным топливом и ВТЭ; снятия нагрузочных характеристик (рисунок 13) при работе дизеля на дизельном топливе и ВТЭ с массовой долей воды в эмульсии 10%. Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы: температура отработавших газов снижается на 15 20°С; среднее значение максимального давления сгорания осталось без изменения; удельный расход топлива снизился на 11 г/кВт.ч, при 75% нагрузке и 9 г/кВт-ч, при 100% нагрузке. Приведенный удельный расход топлива при работе дизеля на ВТЭ, оборудованного автоматической системой приготовления ВТЭ, с массовой долей воды в эмульсии 10% несколько ниже, чем дизеля оборудованного системой приготовления ВТЭ в цистернах, что косвенно говорит о лучшем качестве эмульсии получаемой в струйном диспергаторе, чем в цистернах.

Эксплуатационные испытаний дизелей 64Н25/34 оборудованных автоматической системой приготовления ВТЭ с дозировочным злектро-насосным агрегатом на судах типа «Днепр» и «Моряна» проводились с целью проверки работоспособности систем и ее элементов, выявления возможных неполадок и способов их устранения, а также выявления возможности конструктивных улучшений систем и повышения их надежности. Дизели и система работали надежно, выходов из строя элементов системы за установленный программой период в 1500 часов не зафиксировано.

Обследования дизеля 64Н25/34 дизельгенератора №1 РДОС «Моряна», оборудованного системой приготовления ВТЭ и проработавшего с момента ее установки на судно 3567 часов, в том числе на ВТЭ при нагрузках выше 60% 2102 часа проводились совместно с представителями ОАО «Каспрыбхолодфлот». Сравнительный анализ качества отработавшего масла показал на отсутствие различия свойств масла дизельгенератора №2, работавшего только на дизельном топливе, и свойств масла дизельгенератора №1, работавшего на ВТЭ. Осмотр деталей топливного насоса высокого давления и форсунок показал, что следов ржавчины и раковин на поверхностях прецизионных деталей не обнаружено. Количество регулировок топливной аппаратуры дизеля работавшего на ВТЭ в данный период эксплуатации было произведено меньше по сравнению с дизелем, работавшим на дизельном топливе. Разборка и осмотр деталей кривошипно-шатунного механизма и цилиндровых крышек производились выборочно на двух цилиндрах. Поверхности поршней и поршневых колец были чистыми без повышенного нагарообразования на элементах ограничивающих камеру сгорания. Залегания колец в канавках не обнаружено. Поверхности выпускных и впускных клапанов удовлетворительные. Результаты замеров втулок и поршней в плоскости оси вала и в плоскости качания шатуна показали, что износы втулок и поршней находятся в допустимых пределах.

Заключение. В результате проведенных в данной работе расчетно-теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. Анализ устройств и систем приготовления и питания дизелей ВТЭ показал на целесообразность использования струйных кавитацион-ных диспергаторов, с помощью которых можно приготавливать ВТЭ необходимого состава непосредственно перед топливоподкачивающим насосом дизеля в небольших объемах. Анализ методов влагометрии показал на наибольшую пригодность к использованию в судовых условиях ди-элькометрического метода, реализуемого во влагомерах с емкостными датчиками коаксиального типа;

2. Исследования работы вспомогательных дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ показали на то, что оптимальное содержание воды в топливе зависит от нагрузки и на средневзвешенной в рабочем диапазоне нагрузке составляет 10%. При этом уменьшение удельного расхода топлива составило 3%.

3. Время испарения капли ВТЭ в сравнении со временем испарения капли чистого топлива тех же размеров и в одинаковых условиях, полученное расчетом по разработанной методике зависит от степени сжатия и уменьшается за счет «микровзрыва» в 2,5 4 раза;

4. Результаты сравнительных испытаний дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ, оборудованных разными системами и проводившихся в равных условиях, косвенно говорит о лучшем качестве эмульсии получаемой в струйном диспергаторе, чем в механических смесителях.

5.Разработанный стенд позволяет производить градуировку и испытания поточных влагомеров в соответствии с ГОСТ 8.190-76 «Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений влагосодержания нефти и нефтепродуктов».

6. Близкие значения показаний влагомера при подключении к входу эталонных конденсаторов с емкостями, соответствующими расчетным значениям объемной доли воды в ВТЭ, и датчика с ВТЭ указывают на адекватность инженерной методики расчета датчиков влагомера.

7. Массовая доля воды в ВТЭ, определенная двумя методами - методом, реализованным в разработанном поточном влагомере, и стандартным методом по ГОСТ 2477 - 65 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды» не превысила ± 3% для диапазона измерения влажности ВТЭ 0 4- 60%, что соответствует классу точности прибора 4,0.

8. К достоинствам разработанного поточного влагомера можно отнести: цифровой выходной сигнал, коррекция выходных характеристик, подстройка на используемый сорт топлива, переключение на необходимый диапазон измерения, стойкость к механическим и электромагнитным воздействиям, подключение в системы контроля и управления.

9. Сравнительные эксплуатационные и теплотехнические испытания, а также результаты обследования дизелей 6ЧН25/34, работавших на ВТЭ и дизельном топливе показали на надежность их работы, а разработанная система питания дизелей ВТЭ отвечает всем заложенным в ее конструкцию требованиям и может быть использована на судах;

10. Система питания дизелей ВТЭ внедрена на судах типа «Днепр» и «Моряна» ОАО "Каспрыбхолодфлот", а экспериментальные установки, стенд и поточный влагомер в учебный процесс в качестве лабораторных установок для студентов морских специальностей АГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. И.Н. Теренин, М.Н. Покусаев. Влагометрия судового топлива: Учебное пособие. - Астрахань: Нова, 2002. - 174 с.

2. А. с. 1437530 СССР, МКИ Б02Б 47/02. Устройство для приготовления и подачи водотопливной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания/ Л.В. Сергеев, М.Н. Покусаев, И.Н. Теренин, В.А.Беднев (СССР). Опубл. 07.11.88. Бюл. № 42.

3. Л.В. Сергеев, А.В. Вургафт, И.Н. Теренин. Смесеобразование при работе дизелей на водотопливных эмульсиях // Двигателестроение, 1990.-№6.-С. 3-4,22.

4. И.Н. Теренин. Разработка и исследование измерительного преобразователя влажности судового топлива и водотопливных эмульсий // Вестник АГТУ, Астрахань. - 2004. - 1(20). - С. 199 - 203.

5. Л.В. Сергеев, М.Н. Покусаев, И.Н. Теренин. Усовершенствование системы питания дизелей. Инф. листок. - АЦНТИ, Астрахань. - 1989. №59-89.-3 с.

6. Л.В. Сергеев, И.Н. Теренин, М.Н. Покусаев. Автоматическая система приготовления водотопливной эмульсии для судовых дизелей. Инф. листок о НТД. - АЦНТИ, Астрахань. - 1990. - №90-6. - 4 с.

7. И.Н. Теренин, Л.В. Сергеев. Выбор и обоснование метода измерения влажности топлива // Тез. докл. 40 науч. -техн. конф. АГТУ. Астрахань: АГТУ. - 1996. - С. 132 - 134.

8. И.Н. Теренин, М.Н. Покусаев. Физико-химические свойства во-дотопливных эмульсий // Тез. докл. науч. -техн. конф. к 300-летию Российского флота. АГТУ. Астрахань: АГТУ. - 1997. - С. 36.

9. Исследование и эксплуатационная проверка замены дизельных топлив водотопливными эмульсиями на судах флота рыбной промышленности Каспийского бассейна: отчет о НИР (заключ.) / АТИРПиХ: рук. Сергеев Л.В; исполн.: Теренин И.Н., Кривцов Ю.Г., Покусаев М.Н. - Астрахань, 1984. - 41 с. № ГР 0181 5010497.

10. Исследование и эксплуатационные испытания дизелей флота рыбной промышленности Каспийского бассейна на водотопливных эмульсиях: отчет о НИР (заключ.) / АТИРПиХ: рук. Сергеев Л.В; исполн.: Теренин И.Н. [и др.]. - Астрахань, 1988. - 96 с. № ГР 0185 0022293.

Р2376*

Тип. АГТУ. Зак. 820. Тир. 80 12.11.04.

Введение.

1 Подготовка, использование и контроль влажности ВТЭ в судовых дизельных установках.

1.1 Показатели качества ВТЭ. Особенности работы судовых дизелей на ВТЭ.

1.2 Систем подготовки и питания ВТЭ судовых дизелей.

1.3 Методы определения влажности топлива на судах.

1.4 Автоматизация технологических процессов топливоподготовки на судах.

1.5 Физические свойства ВТЭ и методы влагометрии нефтепродуктов.

1.6 Конструкции емкостных датчиков и измерительные схемы влагомеров.

1.7 Требования к диэлькометрическим влагомерам нефтепродуктов и их метрологическое обеспечение.

1.8 Цель и задачи исследования.

2 Теоретические разработки по улучшению эффективности использования ВТЭ.

2.1 Методика сравнительного расчета времени испарения капли ВТЭ и капли чистого топлива в условиях камеры сгорания дизеля.

2.2 Методика расчета струйного кавитационного диспергатора.

2.3 Методика расчета емкостного датчика.

3 Практические разработки по улучшению эффективности использования ВТЭ.

3.1 Экспериментальная установка приготовления и питания ВТЭ дизеля 1417,5/24.

3.2 Поточный влагомер ВТЭ и стенд для его градуировки.

3.3 Системы приготовления и питания ВТЭ вспомогательных дизелей судов типа «Днепр» и «Моряна».

4 Испытания дизелей оборудованных системами питания ВТЭ и поточного влагомера.

4.1 Сравнительные исследовательские испытания дизеля 1417,5/24.

4.1.1 Методы и средства испытаний.

4.1.2 Погрешности измерения и обработки результатов измерения.

4.1.3 Результаты исследования работы дизеля 1Ч17,5/24 на ВТЭ.

4.2 Оценка методических погрешностей и результаты испытания поточного влагомера ВТЭ.

4.2.1 Оценка методических погрешностей поточного влагомера ВТЭ.

4.2.2 Результаты испытаний поточного влагомера ВТЭ.

4.3 Результаты сравнительных эксплуатационных и теплотехнических испытаний вспомогательных дизелей на судах ЖМЗ «Дон» и РДОС «Моряна».

4.3.1 Краткая характеристика объектов, методов и средств испытания.

4.3.2 Результаты сравнительных швартовных теплотехнических испытаний дизеля 6 ЧН25/34 оборудованного установкой циклического получения ВТЭ на судне ЖМЗ «Дон».

4.3.3 Результаты сравнительных эксплуатационных и теплотехнических испытаний дизелей 6 ЧН25/34 оборудованных автоматической системой приготовления и питания ВТЭ на судах ЖМЗ «Дон» и РДОС «Моряна».

Одной из важнейших задач, является внедрение ресурсосберегающих технологий, основанных на экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленности, в том числе на флоте - крупнейшем потребителе нефтяного топлива. Эта задача приобретает все большую значимость в связи с ограниченностью мировых запасов нефти и постоянным ростом мировых цен на нефть и нефтепродукты. Другой не менее важной задачей является улучшение экологических показателей энергетического оборудования, потребляющего это топливо. Данная задача приобрела особую актуальность в связи с принятием Международной Морской Организацией (IMO) в 1997 г. приложения VI к MARPOL 73/74, согласно которому выброс вредных веществ с уходящими газами должен быть резко сокращен. Одним из методов, позволяющих решить эти задачи, является метод сжигания водотопливных эмульсий (ВТЭ). Большинство разработанных и внедренных на судах систем подготовки ВТЭ относится к котлам и главным двигателям, работающим на тяжелых сортах топлива. Этим системам свойственно приготовления ВТЭ механическими устройствами и хранение ВТЭ в расходных цистернах, а также наличие циркуляционных контуров для поддержания качества приготовленной эмульсии. Судовые вспомогательные дизели в основном работают на то-пливах, эмульсии которых не обладают достаточной устойчивостью. Вспомогательным дизелям, также свойственны переменные режимы работы а, следовательно, при их работе на ВТЭ необходимы системы, обеспечивающие приготовление ВТЭ с необходимым содержанием в них воды в зависимости от нагрузки. Такие системы невозможно создать без устройств или аппаратов для получения ВТЭ в небольших объемах, а так же поточных влагомеров и датчиков влажности топлив и ВТЭ. Поэтому их разработка и внедрение в производство является актуальной проблемой.

При проведении анализов технологических процессов подготовки и использования ВТЭ, методов влагометрии и конструкций поточных влагомеров использовался комплексный подход, основанный на достижениях науки и техники в судостроении, нефтехимической, химической и пищевой промышленности. По результатам проведенных анализов сформулированы и реализованы в разработках требования к системе приготовления ВТЭ, поточному влагомеру судовых топлив и стенду для его градуировки и исследовательских испытаний. Кроме того, опубликовано учебное пособие «Влагометрия судового топлива» (с грифом УМО и Государственного комитета РФ по рыболовству), которое может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам, занимающимися разработкой, проектированием, изготовлением и применением средств измерения влажности топлив и ВТЭ.

Предложенные методики расчета времени испарения капли топлива и ВТЭ, поточных датчиков влажности судовых топлив и струйного дисперга-тора, позволили разработать систему (и ее основные элементы) питания ВТЭ вспомогательных дизелей.

Основные материалы и результаты исследований были использованы при проектировании и дооборудовании систем приготовления ВТЭ вспомогательных дизелей 6ЧН25/24 судов типа «Моряна» и «Днепр» ОАО «Кас-прыбхолодфлот». Результаты испытаний разработанного поточного влагомера, струйного диспергатора и самой системы питания вспомогательных дизелей подтвердили заложенные в них технические характеристики.

Результаты работы опубликованы в сборниках трудов Астраханского государственного технического университета, в информационных листках о научно-технических достижениях, в журнале «Двигателестроение» и отчетах НИР, докладывались на научно-технических конференциях и семинарах, а также применяются в АГТУ при подготовке инженеров и бакалавров морских специальностей.

Основные результаты исследований опубликованы в работах [3,82, 83, 84, 89, 90].

В результате проведенных в данной работе расчетно-теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. Анализ устройств и систем приготовления и питания дизелей ВТЭ показал на целесообразность использования струйных кавитационных дис-пергаторов, с помощью которых можно приготавливать ВТЭ необходимого состава непосредственно перед топливоподкачивающим насосом дизеля в небольших объемах. Анализ методов влагометрии показал на наибольшую пригодность к использованию в судовых условиях диэлькометрического метода, реализуемого во влагомерах с емкостными датчиками коаксиального типа.

2. Исследования работы вспомогательных дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ показали на то, что оптимальное содержание воды в топливе зависит от нагрузки и на средневзвешенной в рабочем диапазоне нагрузке составляет 10%. При этом уменьшение удельного расхода топлива составило 3%.

3. Время испарения капли ВТЭ в сравнении со временем испарения капли чистого топлива тех же размеров и в одинаковых условиях, полученное расчетом по разработанной методике зависит от степени сжатия и уменьшается за счет «микровзрыва» в 2,5 -5- 4 раза;

4. Результаты сравнительных испытаний дизелей 6ЧН25/34 на ВТЭ, оборудованных разными системами и проводившихся в равных условиях, косвенно говорит о лучшем качестве эмульсии получаемой в струйном диспер-гаторе, чем в механических смесителях.

5. Разработанный стенд позволяет производить градуировку и испытания поточных влагомеров в соответствии с ГОСТ 8.190-76 «Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений влагосодержания нефти и нефтепродуктов».

6. Близкие значения показаний влагомера при подключении к входу эталонных конденсаторов с емкостями, соответствующими расчетным значениям объемной доли воды в ВТЭ, и датчика с ВТЭ указывают на адекватность инженерной методики расчета датчиков влагомера.

7. Массовая доля воды в ВТЭ, определенная двумя методами - методом, реализованным в разработанном поточном влагомере, и стандартным методом по ГОСТ 2477 - 65 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды» не превысила ± 3% для диапазона измерения влажности ВТЭ 0 -5- 60%, что соответствует классу точности прибора 4,0.

8. К достоинствам разработанного поточного влагомера можно отнести: цифровой выходной сигнал, коррекция выходных характеристик, подстройка на используемый сорт топлива, переключение на необходимый диапазон измерения, стойкость к механическим и электромагнитным воздействиям, подключение в системы контроля и управления.

9. Сравнительные эксплуатационные и теплотехнические испытания, а также результаты обследования дизелей 6ЧН25/34, работавших на ВТЭ и дизельном топливе показали на надежность их работы, а разработанная система питания дизелей ВТЭ отвечает всем заложенным в ее конструкцию требованиям и может быть использована на судах.

10. Система питания дизелей ВТЭ внедрена на судах типа «Днепр» и «Моряна» ОАО «Каспрыбхолодфлот», а экспериментальные установки, стенд и поточный влагомер в учебный процесс в качестве лабораторных установок для студентов морских специальностей АГТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Акивис Ю.И., Кожевников JI.A. Результаты испытаний устройств для приготовления водотопливных эмульсий // Сер. Техническая эксплуатация флота: ЭИ / М.: ЦНИИТЭИРХ, 1979. Вып. 2. - С. 7 - 13.

2. Арбузов В.П. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 1996. - №5. С. 33-37.

3. А.с. 1437530 СССР, МКИ F02D 47/02. Устройство для приготовления и подачи водотопливной эмульсии в двигатель внутреннего сгорания/ JI.B. Сергеев, М.Н. Покусаев, И.Н. Теренин, В.А.Беднев (СССР). Опубл. 07.11.88. Бюл. № 42.

4. Ахобадзе Г.Н. Принцип измерения влагосодержания в нефтепотоке на основе двух разных по характеру изменения сигналов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. - №2. С. 38 —41.

5. Бабаев Н.Г., Мамедов А.С., Мусаев М.М. Влагомер нефти на потоке // Измерительная техника. 1982. - №7. - С.66 - 68.

6. Бельганович В.И., Катеруша С.А., Кожевников JI.A. Применение водотопливных эмульсий в дизелях и паровых котлах судов флота рыбной промышленности // Сер. Техническая эксплуатация флота: ОИ / М.: ВНИЭРХ, 1989. Вып. 4. - 36 с.

7. Беляков B.JI. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий: Справочное пособие. М.: Недра, 1992. - 202 с.

8. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Высшая школа, 1974.-352 с.

9. Берлинер М.А. Электрические измерения. Автоматический контроль и регулирование влажности. JL: Энергия, 1965. - 488 с.

10. Большаков В.Ф., Гинсбург Л.Г. Подготовка топлив и масел в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1978. 152 с.

11. Браго Е.К., Мартынов Д.В., Великанов Д.Н. Комбинированный измерительный преобразователь для определения влагосодержания в нефтепродуктах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 1996. -№1. С. 27-28.

12. Брозе Д.Р. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1983.-248 с.

13. Ведрученко А.Р., Крайнов В.В., Казимиров А.В. Анализ динамики преобразований капель в факеле водомазутной эмульсии как топлива для котельных установок // Проблемы энергетики, 2003. С. 44 - 53.

14. Ведрученко А.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.Е. Каталитическое воздействие водной фазы водотопливной эмульсии и мобильные схемы их приготовления// Проблемы энергетики, 1998. №6. - С. 21 - 24.

15. Витман JI.A., Канцельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками. — Л.: Госэнергоиздат, 1962. 264 с.

16. Воржев Ю.И., Гимбутис К.К. Об использовании водотопливных эмульсий в судовых дизельных установках // Судостроение, 1985. №7, С. 18-22.

17. Воржев Ю.И., Гимбутис К.К. Водотопливные эмульсии для судовых дизелей // Морской флот, 1983. №12. С. 45 —46.

18. Воржев Ю.И., Гимбутис К.К. Подготовка нестабилизированных водотопливных эмульсий в топливных системах дизелей // Рыбное хозяйство, 1986.-№2. С. 47-50.

19. Вырубов Д.Н. О методике расчета испарения топлива // Тр. МВТУ. -1954.-Вып. 25.-С. 20-34.

20. Егоров Г., Сисин В.Д., Шабалин В. Результаты испытаний вспомогательного двигателя на водотопливных эмульсиях // Речной транспорт, 1992. №7-8. С. 28.

21. Гвазава М.Г., Бардецкий A.M., Ханмамедов С.А. Контроль концентрации воды в водотопливных эмульсиях для судовых дизелей // Сер. Техническая эксплуатация флота: ЭИ / М.: Минморфлот. В/О Мортехиформрекла-ма, 1990. Вып. 22 (738). - С. 1 - 6.

22. ГОСТ 8.009-84. Нормирование метрологических характеристик средств измерений. М.: Издательство стандартов, 1985. - 38 с.

23. ГОСТ 8.190 76. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений объёмного влагосодержания нефти и нефтепродуктов. - М.: Издательство стандартов, 1976. - 4 с.

24. ГОСТ 8.221 76. Влагометрия и гигрометрия. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1977. - 10 с.

25. ГОСТ 305 82. Топливо дизельное. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1982. - 6 с.

26. ГОСТ 1667 68. Топливо моторное для среднеоборотных и малооборотных дизелей. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1981. 5 с.

27. ГОСТ 2477 65. Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 8 с.

28. ГОСТ 10448-80. Дизели стационарные, судовые, тепловозные. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1985. - 7 с

29. ГОСТ 10585-79. Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия. -М.: Издательство стандартов, 1985. 7 с

30. ГОСТ 12997 84. Изделия ГСП. Общие технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1985. -18 с.

31. ГОСТ 14203 69. Нефть и нефтепродукты. Диэлькометрический метод определения влажности. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 8 с.

32. ГОСТ 28885-90 Конденсаторы. Методы измерений и испытаний. М.: Издательство стандартов, 1991. -44 с.

33. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990.

34. Голещихин Ю., Сисин В.Д. Использование водотопливных эмульсий на судах // Рыбное хозяйство, 1993. -№1.-С.32-33.

35. Гулин Е.И., Сомов В.А., Чечот И.М. Справочник по горючесмазочным материалам в судовой технике. Л.: Судостроение, 1981. - 320 с.

36. Данилов И.Н., Данилова Р.А. Свойства водно-эмульсионных топлив // Химия и технология топлив и масел, 1977. №12. - С. 30.

37. Дробков В.П., Мельников В.И., Лабутин С.А. Методы и средства измерений влажности нефти // Датчики и системы, 2002. №11. - С. 23 -27.

38. Епифанов В., Кирпиченко С. Снижение токсичности выбросов отработавших газов судовых дизелей важная задача для речного флота // Речной транспорт, 2004. - №2. - С. 57 - 59.

39. Есельсон М.П. Исследование дисперсности стандартных водонефтя-ных эмульсий // Измерительная техника, 1981. №9. - С. 69 - 71.

40. Завгородный Б.В. Определение требований к качеству водотопливных эмульсий и устройствам для их приготовления // Сер. Техническая эксплуатация флота: ЭИ / М.: ЦНИИТЭИРХ, 1988. Вып. 2. - с.13 -21.

41. Заринский В.А. Высокочастотный химический анализ. М.: Наука, 1970.-197 с.

42. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М.: АН СССР, 1962. - 216 с.

43. Иванов В.М. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат, 1963.-176 с.

44. Исаков А.Я., Черноморцев Е.Т., Филев B.C. Автоматический дозатор воды в топливе // Рыбное хозяйство, 1990. №5. - С.38 - 39.

45. Исаков А.Я. Методика оценки кавитационных свойств судовых жидких топлив и их смесей // Рыбное хозяйство, 1983. №7. - С.78 - 80.

46. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. JL: Энергия,1954. 224 с.

47. Карпов Р.Г., Карпов Н.Р. Электрорадиоизмерения. М.: Высшая школа, 1978. - 272с.

48. Карякин К.Б., Данилов A.M. Повышение противоизносных свойств водотопливных эмульсий, предназначенных для судовых ДВС // Судостроение, 1989. №9.- С. 20-21.

49. Каштылянов Г.Е. Альтернативные виды топлива и источники энергии // Рыбное хозяйство, 1992. №9-10. - С.19 - 22.

50. Клейтон В.Н. Эмульсии: Их теория и техника применения. М.: ИЛ, 1959. 680 с.

51. Конаков Г.А., Худов Н.И., Желудков Д.Н. Оценка надёжности судовых дизелей при работе на водотопливных эмульсиях // Отчёт о НИР / М.: ВНТИЦ, 1983.-64 с.

52. Кочанов Э.С., Кочанов Ю.С., Скачков А.Е. Электрические методы очистки и контроля судовых топлив. Л.: Судостроение, 1990. - 216 с.

53. Кожевников Л.И. Использование роторного гидродинамического смесителя для приготовления водотопливной эмульсии // Рыбное хозяйство. 1979.-№5.-С. 28-30.

54. Кричевский Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. М.: Агропромиздат, 1985. - 250 с.

55. Кузнецов А.Ф., Мироненко И.Г. Материалы для фильтрования водотопливной эмульсии // Двигателестроение, 2002. №4. С. 29 -30.

56. Левин Б.Р. Теория струйных процессов и ее применение в радиотехнике. -М.: Сев. Радио. -1960.

57. Лебедев О.Н. Работа двигателей на эмульгированном моторном топливе // Речной транспорт, 1976. №4. - С. 41 - 42.

58. Лебедев О.Н. О методике расчета испарения топлива // Химия и технология топлив и масел. 1980. № 11. - С. 57 - 59.

59. Лебедев О.Н., Марченко В.Н. Исследование испарения и сгорания капель эмульгированного моторного топлива // Двигателестроение, 1985. №7. -С. 59-60.

60. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988. - 108 с.

61. Логинов В.И., Бугров А.В., Осетров С.А. Измеритель влажности во-донефтяных эмульсий // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 1997. - №4. С. 39-41.

62. Машонин П.В., Чураков П.П., Щербаков М.Ю. Преобразователь параметров емкостного датчика для диэлькометрических влагомеров // Датчики и системы, 2003. №1. - С. 24 - 27.

63. Мироненко И.Г., Сибриков Д.А. Изменение температуры поршня при переводе дизеля на ВТЭ// Сиб. науч. вестн., 2000. №4. - С. 42 - 44.

64. Моик И.Б., Рогов Н.А., Горбунов А.В. Термо- и влагометрия пищевых продуктов: Справочник. М.: Агропромиздат, 1988. - 304 с.

65. Морозов Г.А., Арциомов О.М. Очистка масел в дизелях. Л.: Судостроение, 1971. -192 с.

66. Москвина Г.И., Борисова В.И., Попов А.А. Об обеспечении единства измерений показателей качества нефтепродуктов // Измерительная техника, 1982. №7. - С. 65-67.

67. Недужный С.А. Некоторые особенности образования эмульсий под действием ультразвука // Коллоидный журнал, 1963. №4.

68. Ничуговский Г.Ф. Определение влажности химических веществ. -Л.: Химия, 1997. 200 с.

69. Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки: Справочник. Л.: Судостроение, 1986. - 424 с.

70. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием, -М. :Энергоатомиздат, 1988.

71. Подкин Ю.Г. Оптимизация диэлькометрических средств контроля неравновесных дисперсных систем по информационным критериям // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. - №2. - С. 42 - 50.

72. Подкин Ю.Г. Особенности проектирования емкостных преобразователей средств контроля неравновесных дисперсных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. - №3. - С. 42 - 50.

73. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. — JL: Энергия, 1973.-264 с.

74. Райков И .Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. - 276 с.

75. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1978.-368 с.

76. Родионов В.П. Гидродинамика струйного истечения и явления кавитации в жидкости. Краснодар: КГТУ, 2000.

77. Ройфе B.C. Методика градуировки диэлькометрических влагомеров с использованием многомерной математической модели // Измерительная техника, 1984. -№11.-С. 61 -62.

78. Ройфе B.C. Пути повышения точности диэлькометрических средств измерений // Измерительная техника, 1985. №4. - С. 52 - 54.

79. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. - 224 с.

80. Сергеев Л.В., Вургафт А.В., Теренин И.Н. Смесеобразование при работе дизелей на водотопливных эмульсиях // Двигателестроение, 1990. №6 . - С. 3 - 4,22.

81. Сергеев Л.В., Покусаев М.Н., Теренин И.Н. Усовершенствование системы питания дизелей. Инф. листок. АЦНТИ, Астрахань. - 1989. №59-89. -Зс.

82. Сергеев Л.В., Теренин И.Н., Покусаев М.Н. Автоматическая система приготовления водотопливной эмульсии для судовых дизелей. Инф. листок о НТД. АЦНТИ, Астрахань. - 1990. - №90-6. - 4 с.

83. Соловьев A.JI. Развитие компенсационно-мостовых методов построения измерительных преобразователей для емкостных и индуктивных датчиков // Приборы и системы управления. 1995. - №6. - С.20-23.

84. Сомов В. А., Ищук Ю.Г. Судовые многотопливные двигатели. Л.: Судостроение, 1984.

85. Силинь А.В., Кузнецов А.П. Водотопливная эмульсия судовых дизелей и котлов // Рыбное хозяйство, 1980, №1, с.45 48.

86. Теренин И.Н., Покусаев М.Н. Влагометрия судового топлива. Астрахань: Нова, 2002. - 174 с.

87. Теренин И.Н. Разработка и исследование измерительного преобразователя влажности судового топлива и водотопливных эмульсий // Вестник АГТУ, Астрахань. 2004. - 1(20). - С. 199 - 203.

88. Тимофеев В.Н., Тузов Л.В. Система приготовления водотопливной эмульсии для судовых дизелей // Двигателестроение, 2000. №2. - С. 25 - 26.

89. Тузов Л.В., Макарчук А.А. Использование водотопливной эмульсии в судовых высокооборотных дизелях // Судостроение, 1990. №4. С. 21 - 24.

90. Фетисов B.C. Современное состояние и тенденции разработок датчиков для определения состава водогазонефтяных смесей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 1998. - №1. С. 40 -44.

91. Форейт И. Ёмкостные датчики неэлектрических величин. М.- Л.: Энергия, 1966.-160 с.

92. Худов Н.И., Желудков Д.Н., Чорба В.А. Анализ нагарообразовани и износов деталей судовых дизелей при работе на водотопливной эмульсии // Сер. Техническая эксплуатация флота: ЭИ / М.: Минморфлот. В/О Мортехи-формреклама, 1983. Вып. 19 (567). - С. 2 - 9.

93. Шепельский Ю., Тузов JI.B. Эмульгирование вязких топлив // Речной транспорт, 1989. №8. С. 24 - 25.

94. Шепельский Ю. ВТЭ на основе вязких топлив для судовых дизелей // Речной транспорт, 1993. №2. С. 18.

95. Школьный А.А., Семенов К.А., Сенчило В.В. Физическая модель воздействия воды в составе водотопливной эмульсии на процессы смесеобразования и сгорания в дизелях /Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаше. 1984. - №1380. -ТМ.-29 с.

96. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967. - 223 с.

97. Якубовский Ю.В., Суменков В.М., Селезнёв Ю.Н. Эксплуатация производственных котлов КВГ 34К на водотопливной эмульсии // Рыбное хозяйство, 1991, №3. - с.57 - 60.

98. Якубовский Ю.В., Суменков В.М., Селезнёв Ю.Н, Стапенко В.Н., Ур-банович А.И. Эксплуатация производственных котлов КВГ-34К на водотопливной эмульсии //Рыбное хозяйство, 1991. №3. - С. 57 - 60.

99. ФГО ВПО АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»1. Комиссия в составе:

100. Председатель комиссии директор института морских технологий, энергетики и транспорта, к.т.н., доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта» А.В. КОРАБЛИН Члены комиссии:

101. А.С. КУРЫЛЕВ проректор по учебно-методической работе, к.т.н., доцент кафедры «Судовые энергетические установки»;

102. С. В. ВИНОГРАДОВ к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Эксплуатация водного транспорта»;

103. Автоматизированные системы управления СЭУ и их эксплуатация»;1. Автоматизация СЭУ»;

104. Судовые энергетические установки»;1. Проектирование СЭУ»;

105. Проректор по учебно-методической работе, к.т.н., доцент

106. Внедрение данных систем позволило уменьшить эффективный удельный расход топлива вспомогательных дизелей 6ЧН25/34 на 3% на средневзвешенной в рабочем диапазоне нагрузке и снизить нагарообразование на рабочих поверхностях деталей ЦПГ.

107. Начальник службы технической эксплуатации флота1. А.И. ШИХИРИН