автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Улучшение энергоэкологических показателей среднеоборотных дизелей кавитационной обработкой тяжелых топлив

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Использование тяжелых сортов топлива при эксплуатации среднеоборотных дизелей.

1.1.1. Структура использования топлив и тенденции ее развития.

1.1.2. Влияние тяжелых сортов топлива на экономические и экологические характеристики дизеля.

1.2. Методы улучшения сгорания тяжелых остаточных топлив . 21 1.2.1. Физические методы воздействия на тяжелое топливо, интенсифицирующие процесс его сгорания.

1.2.1.1. Ультразвуковая кавитационная обработка тяжелых топлив

1.2.1.2. Обработка топлив электрическими и магнитными полями

1.2.1.3. Устройства ионизирующие топливо.

1.2.1.4. Паровая фаза топлива- интенсификатор процесса горения топлива в цилиндрах дизеля.

1.2.1.5. Аппараты вихревого слоя.

1.3. Оценка современных методов снижения вредных эмиссий с отработанными газами дизеля.

1.3.1. Вредные вещества, содержащиеся в ОГ дизельного двигателя

1.3.2. Оценка методов снижения вредных эмиссий Ж)х с ОГ.

1.3.3. Водотопливные эмульсии как эффективный метод первичного снижения эмиссии окислов азота с ОГ дизеля.

1.3.4. Применение ВТЭ тяжелых топлив.

1.4. Постановка задач исследования.

Выводы по 1 главе.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАВИТАЦИИ НА СВОЙСТВА

ТЯЖЕЛЫХ ТОПЛИВ.

2.1. Современный взгляд на определение структуры тяжелого

4 топлива.

2.2. Расчетно-теоретический анализ влияния кавитационной обработки тяжелого топлива на процессы смесеобразования в дизеле.

2.2.1. Теоретический анализ влияния кавитационной обработки тяжелого топлива на его эксплуатационные свойства.

2.2.2. Теоретический анализ влияния кавитационной обработки тяжелого топлива на процессы смесеобразования в дизеле.

2.3. Модель диспергирования ССЕ тяжелых топлив ультразвуковым генератором кавитации.

2.4. Анализ возможности использования электрофизических характеристик для оценки воздействия кавитационной обработки на коллоидную структуру тяжелого топлива.

2.4.1. Электрофизические свойства нефти и нефтепродуктов.

2.4.2. Методика определения электропроводности жидкости с помощью меры диэлектрической проницаемости.

2.4.3. Методика определения диэлектрической проницаемости жидкости с помощью меры электропроводности.

2.4.4. Методика определения высшей удельной теплоты сгорания топлива

2.4.5. Определение критерия тождественности топлива.

2.5. Разработка методики проведения эксперимента.

2.5.1. Описание лабораторного стенда.

2.5.2. Результаты эксперимента по определению влияния кавитационной обработки топлива на его электрофизические свойства

Выводы по 2 главе.

3 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1. Анализ экспериментальных данных.

3.1.1. Определение связи между электрофизическими параметрами применяемого топлива и экономическими и экологическими

4 характеристиками дизеля.

3.2. Математическое моделирование оптимальных условий ка-витационной обработки тяжелого топлива.

3.2.1. Проверка адекватности принятой математической модели.

3.3. Методика определения количественного содержания воды в обводненном топливе, а также в водотопливных эмульсиях.

Выводы по 3 главе.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ТЯЖЕЛОГО ТОПЛИВА НА ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ.

4.1. Проведение эксплуатационных испытаний системы топли- 107 воподготовки на судне.

4.2. Анализ результатов эксплуатационных испытаний.

4.3. Пред ложения по созданию системы топливопсдготовки на судне

Выводы по 4 главе.

Нефтяные топлива являются важнейшими энергоносителями в мировой экономике и в ближайшие десятилетия сохранят свою роль. Неоспорима их ключевая роль в системе морского и речного транспорта, где доля силовых установок, работающих на жидких нефтяных топливах, составляет более 95% [1].

Дизели являются основой судовой энергетики речного транспорта России. При их эксплуатации расходуется большое количество горюче-смазочных материалов, при этом наносится ущерб окружающей среде вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами (ОГ) дизелей.

Эта проблема усугубляется тем, что парк дизелей речного флота устарел физически и морально [1]. Это приводит к повышенному расходу топлива и увеличению эмиссии вредных веществ с ОГ.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) потребляют львиную долю нефтяных топлив в мире. Однако мировые запасы нефти ограничены. По самым оптимистичным оценкам ее хватит на 30-50 лет. Постоянно растет глубина переработки нефти, что ведет к сокращению относительной доли выпускаемых легких дизельных топлив и вытеснению их остаточными тяжелыми высоковязкими [2].

Применение тяжелых остаточных топлив на речном транспорте, несмотря на высокие капиталовложения на систему топливопод-готовки, экономически оправдано, поскольку остаточные топлива более дешевы и менее дефицитны, однако они дают повышенные выбросы вредных веществ с ОГ.

Значительно ужесточилось природоохранное законодательство, касающееся загрязнения воздушного бассейна. Комиссией по защите морской среды МЕРС (The Marine Environment Protecting Com-mittee) при Международной морской организации IMO (The International Maritime Organization) выработаны довольно жесткие международные правила для ограничения допустимых выбросов ОГ морского и речного транспорта. Поэтому вопросы экологии являют-ся одним из приоритетов для водного транспорта.

Наиболее рациональным способом повышения экономических и экологических характеристик ДВС судов речного транспорта, работающих на тяжелых сортах топлива, является применение высокоэффективных и недорогих «неклассических» систем топливопод- V готовки.

В настоящей работе предлагается комплексный подход к решению проблемы экономии топлива и повышения экологических показателей на судах речного флота за счет применения высокоэффективных систем подготовки и контроля качества сжигаемого тяжелого топлива.

В работе также изложены пути создания принципиально новой системы контроля качества топлива без отбора проб для систем то-пливоподготовки, а также контроля количественного содержания воды в водотопливной эмульсии (ВТЭ) для систем приготовления

ВТЭ. Основой метода является совместное измерение взаимосвязан ных величин диэлектрической проницаемости (г) и удельной элек тропроводности (эВо) топлива.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 .Разработана методика и изготовлен стенд для экспериментального исследования влияния кавитационной обработки тяжелого топлива на его электрофизические параметры.

2.Разработана модель диспергирования ССЕ тяжелых топлив ультразвуковым генератором кавитации. Разработанная модель позволила теоретически рассчитать необходимую кратность обработки тяжелого топлива. Наиболее целесообразна однократная обработка топлива непосредственно перед его подачей в КС. Проведенные на лабораторном стенде эксперименты показали, что для достижения дальнейшего изменения группового углеводородного состава топлива и параметров коллоидной системы необходимо значительное повышение давления обработки. Данные эксперимента хорошо коррелируют с результатами теоретического расчета.

3.Проведены экспериментальные исследования влияния кавитационной обработки тяжелого топлива и ВТЭ тяжелого топлива с различным содержанием воды на их электрофизические параметры. В результате эксперимента установлено, что диэлектрическая проницаемость прямо пропорциональна содержанию воды в топливе и ВТЭ, что позволяет получить простые торировочные графики удобные для использования на судах старой постройки не оснащенных современной автоматикой и средствами вычислительной техники.

4.Разработана математическая модель для определения оптимальных параметров кавитационной обработки тяжелого топлива. На основе полученной математической модели теоретически рассчитаны оптимальные условия (давление pi) кавитационной обработки мазута для наиболее эффективного воздействия на его коллоидную структуру и групповой углеводородный состав. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что ультразвуковой гомогенизатор данной конструкции решает поставленную задачу в довольно узком диапазоне рабочих давлений - 0,5-0,8 МПа.

5.Применение гомогенизирующих устройств в составе системы то-пливоподготовки позволяет снизить удельный эффективный расход тяжелого топлива в среднем на 5-7 %. Наиболее ощутимая экономия топлива достигается на долевых режимах работы дизеля, что особенно важно для дизельных двигателей речных судов.

6.Использование разработанного блока топливоподготовки по сравнению со штатной системой топливоподготовки при работе дизеля Щ на тяжелом топливе позволяет снизить эмиссию вредных веществ с ОГ дизеля на: NOx - 10-16 %, СН - 6-7 % и СО - 6-45 %. При этом наблюдается снижение температуры отработавших газов на 5-10°С, что свидетельствует об оптимизации процесса сгорания.

1. Сутягин В.Н. Дизелестроение для речного флота.// Судоходство. 1996. №1. С. 44.

2. Бондаренко Б.И. Нефтеперерабатывающая промышленность США в 80-е годы.// ХТТМ. 1993. №6. С. 33-38.

3. Усиков С.В. Определение электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов. С-Пб.: Теза, 1997. 173 с.

4. Каминский Э.Ф., Козлов И.Т., Ашитко С.Г. Нефтеперабатывающая промышленность России: сегодня и завтра.// ХТТМ. 1993. №9. С.4-6.

5. Дмитриев ИМ., Агафонов B.H. Анализ возможностей применения высоковязких топлив в судовых дизелях.// Двигателестроение. 1991. №2.

6. Barry E.G. Влияние состава топлива и конструкции дизеля на экономичность и токсичность отработавших газов.// SAE Techn. Pap. Ser. 1986. № 861528. С.89-98.

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

8. Попова О.В., Баштакова С.Т. и др. Присадки для повышения полноты сгорания дизельных топлив.// Химия и технология топлив и масел. 1995. №2 (37).

9. Поливин Ю.Н., Трофимова М.В., Караханов Р.А», Келарев В.И.

10. Анализ патентов по противодымным присадкам к дизельным топли-вам.// Химия и технология топлив и масел. 1993. № 10. С. 30-33.

11. Баштакова С.Т. Присадки к дизельным топливам. М.: Химия, 1994. 251 с.

12. Большаков В.Ф., Гинзбург ЛХ. Подготовка топлива и масла в суд овых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1978. 151 с.2 ¡.Большаков В.Ф., Фомин Ю.Я., Павленко ВЛ. Эксплуатация судовых среднеоборотных дизелей. М.: Транспорт, 1983.

13. Большаков В.Ф., Юткевич P.M., Воржев Ю.И. Эксплуатационные испытания гомогенизаторов в судовых системах топливоподготовки // Топливоиспользование на морских судах и теплохимические исследования: Тр. ин-та / ЦНИИ мор. флота, 1976. Вып. 215. с. 3-15.

14. Браславский МЛ., Иванов ИЛ. Перспективные средства очистки топлива // Речной транспорт: Экспресс-информация. М: ЦБНТИ Минречфлота РСФСР, 1986. вып. 4.

15. Браславский М.И. Применение на флоте топливных смесей // Сб.: Передовой опыт и новая техника. М: ЦБНТИ Минречфлота РСФСР, 1982. вып. 8 (104).

16. Браславский М.И. Применение тяжелого топлива в дизелях на речных судах. М: ЦБНТИ Минречфлота РСФСР, 1976.

17. Демидченко В.И., Ефимцев A.B., Ефимцев В.В., Марченко Е.М., Шепндько М.А. Способ подготовки топлива для ДВС: Пат. 2033552 Россия, МКИ6 F 02 М 25/00; № 4426577/ 06; Заявл. 28.03.88. Опубл. 20.04.95. Бюл. №11.

18. Зубрилов С.П., Селиверстов В.М., Браславский М.И., Филиппов

19. Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания топлива в судовых дизелях. Д.: Судостроение, 1987. 56 с,

20. Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. JI.: Судостроение, 1985.

21. Капустин В.В., Родионов Ю.П. Гидродинамический гомогенизатор-смеситель. Пат. 2021005 Россия, МКИ5 В 01 F 5/08; -№ 4805311/26; заявл. 23.3.90. Опубл. 15.10.94. Бюл. №19

22. Кравец И .А., Кравец С .И. Способ ионизации топлива.// Вестник ма-шиностр. 1995. №8. С. 46-47.

23. Можаев О.С., Жадан Ю.И. Паровая фаза топлива интенсификатор процесса горения в цилиндре дизеля.// Двигателестроение. 1990. №10.

24. Павленко В.И., Пугачев Ю.П. Гомогенизация топлив для двигателей внутреннего сгорания. Рига: ЛатИНТИ, 1979. 77 с.

25. Под ред. Овсянникова М.К. повышение топливоиспользования в судовых энергетических установках: Сборник научных трудов ВИМУ им. Макарова. JI, 1989.

26. Пересыпкин В.И. отв. ред. Эксплуатация энергетических установок и топливоиспользование на судах.// Сборник научных трудов. М. Транспорт, 1991.

27. Петриченко И.Н. Применение топочных мазутов в судовых СОД. Дизельные энергетические установки речных судов. Новосибирская государственная академия водного транспорта. Новосибирск, 1994.

28. Руководство по применению тяжелых топлив на судах речного флота. Л. Транспорт, 1982.

29. Семенов Б.Н. Применение различных топлив в дизелях.// Двигателестроение. 1997. №1-2. С. 37-40.

30. Гривин Ю.А., Зубрилов С.П. Кавитация на поверхности твердых тел. Л.: Судостроение. 1985. 121 с.

31. Пат. 5236670 США МКИ5 В 01 J 19112

32. Федотов А.Д., Баканов A.A., Шабордин A.B. Способ обработки топлива.// Пат. 2038506 Россия, МКИ6 F 02 М 27/ 04/ № 5056444/06; За-явл. 27.07.1992; Опубл. 27.06.1995, Бюл. № 18.

33. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. 219 с.

34. Под ред. Лазарева В Л. Вредные вещества в промышленности: Справ. Для химиков, инженеров и врачей. В 3 т. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1976-77.

35. Exhaust controls quit international law.// The Motor Ship. -1993. -March. -P. 22, 23, 26, 27.

36. Heider G., Zeilinger К., Woschni G. Two-zone calculation model for the prediction of NO emission from diesel engine.// 21st International CIMAC Congress on Combustion engines, Geneva, Switzerland, 1995. D69.

37. Горбов B.M., Гавриш ИЗ» Особенности распыливания водо-топливной эмульсии в ДВС.// Теплоэнергетика и хладотехника./ Николаевский кораблестроительный институт. Николаев, 1992.

38. Новиков Л.А., Борецкий Б.М., Вольская Н.А. Механизм влияния состава водо-топливных эмульсий на смесеобразование в дизелях с неразделенными открытыми камерами сгорания.// Двигателестроение. №1, 1996.

39. Ажимов В.В. Методика оценки процесса сгорания водо-топливной эмульсии в дизеле.// Киевский институт сухопутных войск. Киев, 1993.

40. Тув И.А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. Л.: Судостроение, 1968. 196 с.

41. Тув И.А., Иофф УМ., Ржавский ЕЛ. Эффективное сжигание обводненных мазутов и мазутных зачисток.// Нефтяное хозяйство. 1959. №12.

42. Сергеев Л.В. Исследование влияния применения водо-топливной эмульсии дизельного топлива на износ цилиндров двигателя.// Вестник астраханского государственного технического университета. 1994. №1.

43. Шерман Ф. Эмульсии. М. Химия, 1972.б1.Цыпцын В.И., Поккияе Ю.К., Карякин К.Б, Применение ВТЭ как эффективный способ повышения энергоэкологических показателей дизелей.// Улучшение использования машинно-тракторного парка. Саратов, 1993.

44. Лунева В.В., Азев B.C. Комплекс методов оценки водо-топливных эмульсий.// Химмотология.: Материалы семинара. /О-во "Знание" РСФСР. Московский дом научно-технической пропаганды. М. 1990. С. 130-132.

45. VeIji A., Renuncls W., Schmidt R.-M. Water to reduce NOx-Emissions in Diesel engines. A basic study.// 21st International CIMAC Congress on Combustion engines, Geneva, Switzerland, 1995. D46.

46. Дрегалин А.Ф., Черенков A.C. Общие методы теории высокомолекулярных процессов в тепловых двигателях. М.: Янус-К. 1997. 328 с.

47. Филипосянц Т.Р., Кратко АЛ., Мазинг М.В. Методы снижения вредных выбросов с отработавшими газами автомобильных дизелей. М. 1979. 64с.

48. Розенталь Д.А, и др. Методы определения и расчета структурных параметров тяжелых нефтяных остатков. ЛТИ. Л.: 1981.

49. Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти: Природа смол и асфальтенов. Новосибирск: Наука, 1995. 268 с.

50. Унгер Ф.Г. Роль парамагнетизма в образовании структуры нефтей и нефтяных остатков. В кн. Исследование состава и структуры тяжелых нефтепродуктов. -М.: ЦНИИТЭ нефтехим, 1982.

51. Кричко A.A., Гагарин С.Г., Макарьев С.С. Мультимерная теория строения высокомолекулярного органического топлива.// ХТТ. 1993. №6. С. 27-41.

52. Викторов А.И., Смирнов H.A. Термодинамическая модель агрегатирования асфальтенов и их осаждения из нефти. С-ПГУ.// Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. 4.

53. Le Page J. F., Morel F., Trassard A. M., Bousquet JЛ Sympos. On Advances in Resid Upgrading. Denver: Amer. Chem. Soc., Division of Petroleum Chem., 1987. P. 470-476.

54. Beaton W. I., Bertolacini R. J./ /Catal. Rev.- Sei. Eng. 1991. V. 33. №3-4. P. 281-317.

55. Takatsuka T., Wada Y., Hirohama S., Komatsu S.// Amer. Inst. Chem. Eng., Sympos. Series. 1989. V. 85. № 273. P. 49-57.

56. Turov Yu., Unger F Ji 33rd IUP AC Intern. Sympos. MacromoL, Monreal: IUPAC, 1990. P. 719.

57. Сюняев З.И. Физико-химическая механика нефтяных дисперсных систем: Учебное пособие. М.: МИНХ и ГП, 1981. 89 с.

58. Поконова Ю.В. Химия высокомолекулярных соединений нефти. Л.: Издательство ЛГУ, 1980.

59. Посадов ИЛ., Поконова Ю.П., Проскуряков В.А. Рентгенографические исследования нефтяных асфальтенов.// Журнал прикладной химии. 1974. №11.к

60. S1.Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. Л.: Химия, 1971. 191 с.

61. Доломатов М.Ю., Гордеев В.Н., Кавыкаев А .Г., Афанасьев A.B., Браславский М.И. Влияние ультразвука на коллоидную структуру судовых топлив.// Химия и технология топлив и масел. 1994. №5. с.8-12.

62. Шляхтов В.А, Научные основы эффективного использования топлива в дизелях на стадии их производства.// Научный доклад./ Академия транспорта Российской Федерации. С-Пб., 1995. 49 с.

63. Унгер Ф.Г., Андреева JI.H. Парамагнетизм нефтяных дисперсных систем и природа асфальтенов. Томск: ТФСО АН СССР. Препринт № 3, 1986 (3).

64. Сюняев З.И., Сафиева Р.З., Сюняев Р.З. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990. 226 с.8б.Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М.: Госуд. Изд. Физико-математической литературы, 1963.

65. Унгер Ф.Г., Красногорская H.H., Андреева JI.H. Роль парамагнетизма молекул в межмолекулярных взаимодействиях нефтяных дисперсионных систем. Томск: ТФ СО АН СССР, 1987. 46 с. (Препринт/ АН СССР. Сиб. отд-ние. Том. фил.; №11)

66. Николаенко A.B., Картошкин А.П., Филимонов В.А., Ашкинази JI.A, Результаты исследований углеводородного состава смазочных масел в процессе эксплуатации и регенерации.// ХТТМ. 1999. № , С.

67. Большее Л.Н., Смирнов М.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983. 358 с.

68. Выгодский МЛ. Справочник по высшей математике. М.: Физматлит, 1995. 872 с.

69. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Наука, 1969. 283 с.92Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирическихформул. М: Высш. шк., 1988. 239 с.

70. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984. С. 141.

71. Камкин С.В., Возннцкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1990. 344 с.

72. Ворожев ЮЛ., Дурягина AM. Влияние процесса гомогенизации мазутов на их физико-химические показатели.// Топливоиспользование на морских судах и теплохимические исследования: Тр. Ин-та/ ЦНИИ мор. Флота, 1977. Вып. 227.

73. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. -Л: Судостроение, 1990. 112 с.

74. Пилянов ЮМ^ Волгин СЛ., Шеленшкевич ВА. Экспериментальный стенд для исследования процессов, определяющих эффективность сгорания топлив в дизелях. //Двигателесгроение. 1997. №1-2. С. 28-31.

75. Селиверстов В.М., Браславский М.И. Экономия топлива на речном флоте. М.: Транспорт, 1983. 231 с.

76. Рабочая частота (1 ±0,0001) МГц;2. Погрешности:0,02 % по емкости и сопротивлению:2*10'4 по угла потерь и tg угла фазового сдвига.- Измеритель иммитанса Е7-14

77. Рабочие частоты прибора 0,1, 1, 10 кГц с погрешностью установки не более 0,01 %;

78. Пределы допускаемого предела погрешности 0,006 % по сопротивлению.

79. ОДОБРЕНО Морской Регистр Речной Регистр1 Н. <$£г1. УТВЕРЖДАЮ

80. Директор представительства с>цюходкой компании--- Шеремета П.Ф." ^<-19 96 г