Водотопливные эмульсии

Использование воды, как компонента моторного топлива рассматри-валось постоянно, параллельно с совершенствованием двигателей внутреннего сгорания. Ещё в 1864 г. Гюгон для улучшения работы двигателя Ленуара подавал воду в горючую смесь. В 30-е годы прошлого века впрыск воды использовался для повышения степени сжатия и увеличения мощности ДВС. Во время Второй мировой войны вода широко использовалась для кратковременного форсирования двигателей на особых режимах.

Но в полной мере положительное действие воды на процесс горения в цилиндрах двигателя проявилось после получения высококачественных водотопливных эмульсий (ВТЭ). Современные ВТЭ – сложные дисперсные системы, обладающие специфическими свойствами в значительной мере отличающимися от свойств компонентов.

Смесь воды и горючего, как бы совершенно они не были перемешаны, являются неустойчивой системой особенно в состоянии покоя. Капельки однородных жидкостей стремятся к взаимному слиянию и последующему укрупнению. И так до полного расслаивания. Это происходит вследствие увеличения поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз. Для предотвращения этого процесса на поверхности капелек должен быть создан граничный слой. Эту роль выполняют различные эмульгаторы. Стабильность эмульсий характеризуется кинетической и агрегативной устойчивостью. Кинетическая устойчивость – способность диспергированных капель удержи-ваться в толще смеси во взвешенном состоянии, без оседания, под действием броуновского движения. С увеличением дисперсности эмульсии её кинетиче-ская устойчивость возрастает. Значит, надо добиваться максимального измельчения компонентов. Под агрегативной устойчивостью понимают способность эмульсии сопротивляться слиянию дисперсной фазы (агрегатиро-ваванию). Такая устойчивость и достигается с помощью эмульгаторов.

Образование эмульсий – дробление дисперсной фазы (например, ультра-звуком) в дисперсионной среде (топливе) и одновременной стабилизацией образующейся структуры с помощью эмульгаторов. В последнее время для эмульгирования дизельных моторных топлив применяют шестерённые насосы. Благодаря простоте и надёжности этот метод может использоваться для приготовления эмульсий непосредственно на автомобиле. Необходимо учитывать влияние на свойства ВТЭ, оказываемое эмульгаторами при их содержании в количестве более 5%. При создании эмульсий необходимо уточнить, как на поведение ВТЭ в качестве моторного топлива будут влиять такие её основные параметры, как плотность, вязкость и поверхностное натяжение. Важными эксплуатационными характеристиками ВТЭ являются её стабильность, вязкость, температура вспышки и температура застывания.

Влияние ВТЭ на работу двигателя определяется наличием двух фаз – водной и эмульгированной. Вода в исходном виде является, прежде всего, балластной добавкой, снижающей цикловые давления и температуры. Однако она может и участвует в процессе горения. Это обуславливается температурами и давлениями, развивающимися в камере сгорания и может быть описано уравнением:

Доктор технических наук И. Л. Варшавский провёл уникальный эксперимент: он добавлял в моторное топливо воду с тяжёлым изотопом кислорода и обнаружил этот изотоп в образующихся при горении молекулах углекислого газа. Это служит подтверждением распада молекул воды в камере сгорания и участия в реакции.

Химическая активность воды выражается также в газификации несгоревших сажистых остатков топлива при температурах выше 800 °С:

При попадании топливной эмульсии в камеру сгорания, она представляет собой совокупность капелек воды, окруженных прослойками жидкого топлива. Диаметр частиц 80–300 мкм. А капелек воды 8–50, чаще 9–20 мкм. При прогревании частиц, после превышения температуры 100 °С, происходит вскипание капелек воды – «микровзрывы» – и разбрасывание топлива. Это вторичное распыление способствует интенсификации смешения топлива и воздуха и повышению полноты сгорания, что и определяет, главным образом, возможность улучшения экономических показателей внутреннего сгорания при работе на водо-топливных эмульсиях.

Использование ВТЭ возможно по двум направлениям: применение заранее приготовленной эмульсии и приготовление её непосредственно на автомобиле. Второй способ предпочтительнее, особенно после создания высококачественных диспергаторов и компактных ультразвуковых эмульгато-ров.

Необходимо отметить, что фильтры могут задерживать часть воды и способствовать разрушению структуры эмульсии. Удовлетворительные результаты получены при использовании фильтров из никелевой сетки саржевого плетения с тонкостью фильтрации не менее 12–16 мкм. Такие фильтры не разрушают эмульсию и имеют достаточный ресурс работы.

При использовании на карбюраторных двигателях добавка 30–40% воды положительно сказывается на детонационной стойкости горючей смеси, вызывая повышение октанового числа почти на 10 единиц. Это позволяет увеличить степень сжатия, т. е. повысить мощность и экономичность двигателя. При сохранении степени сжатия возможно применение низкооктановых бензинов. При этом нужно учитывать изменение угла опережения зажигания в зависимости от типа диспергатора и количества добавляемой в топливо воды. Использование ВТЭ снижает содержание NO_x в выхлопе на 40–50%.

Наилучшие результаты даёт применение ВТЭ на дизелях. Подача эмульсии в камеру сгорания обеспечивает существенное улучшение распыливания топлива за счёт микровзрывов. Наличие воды снижает тепловой режим и позволяет дополнительно форсировать дизель, в том числе и применением наддува. При использовании ВТЭ на двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия необходимо помнить, что присутствие воды увеличивает период задержки воспламенения, а следовательно, и жёсткость работы двигателя. Обводнение топлива до 15% приводит к некоторому снижению расхода топлива за счёт дополнительного дробления и более полного сгорания.

На состав отработавших газов дизельных двигателей наличие воды в топливе оказывает большее влияние, чем у карбюраторных, в сторону улучшения. Кроме снижения содержания окислов азота, в большей степени снижается содержание СО (полнота сгорания) и уменьшение дымности (газификация сажистых остатков).

Для улучшения характеристик двигателей необходимо варьирование содержания воды в эмульсии в зависимости от режима работы двигателя, повышение качества диспергаторов и совершенствование конструкций эмульгаторов при обеспечении высокой стабильности водо-топливных эмульсий.

studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2017 год. (0.007 с) .

Материалы: http://studopedia.org/10-92333.html

Исследуется влияние водотопливной эмульсии на процессы, происходящие в камере сгорания судового ДВС. Применение водотопливной эмульсии позволяет иначе оценивать роль воды и её влияние на процессы горения. Библиогр. 5.

The influence of water-fuel emulsion on the processes occurring in combustion chamber of marine ICE is examined. The use of water-fuel emulsion helps differently to evaluate the role of water and its influence on the combustion actions.

Ф. В. Патров, О. С. Вахромеев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДВС

Среди главных задач, стоящих в настоящее время перед машиностроителями во всем мире, - задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). При проектировании современных судовых дизелей особое внимание уделяется их экономичности и минимализации воздействия последствий их эксплуатации на окружающую среду.

Анализ состава отработавших газов (ОГ) судовых дизелей показал, что наиболее токсичными компонентами выбросов в окружающую среду являются оксиды азота (КОх), углерода (СОх), серы (8Ох), углеводороды (НС), твердые сажистые частицы. Их концентрация в ОГ дизеля зависит от многих причин, в том числе от конструкции камеры сгорания, частоты вращения коленчатого вала и температуры горения. Известно, что низкооборотные двигатели вырабатывают больше КОх, чем среднеоборотные или высокооборотные двигатели.

Одним из основных способов снижения расхода энергоносителей и сохранения окружающей среды при эксплуатации судовых дизелей является применение водотопливных эмульсий (ВТЭ).

В высоковязких мазутах, используемых при эксплуатации судовых ДВС, наблюдается повышенное содержание воды в виде отдельных местных скоплений, обусловленное процессами перевозки, перекачки, хранения и подогрева топлива. Использование в качестве топлива специально приготовленных водомазутных эмульсий является одним из эффективных методов, позволяющих устранить негативные последствия этого явления [1, 2]. К проблемам, осложняющим экологическую обстановку, относится и непрерывное накопление сотен тысяч тонн балластных вод, содержащих нефтепродукты. Их источником являются промышленные предприятия, морской и речной флот.

Содержание воды в мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5 % по норме обводненность достигает 12-16 %, а в отдельных случаях - 20-35 %). Из-за того, что плотности мазута и воды мало отличаются, вода не оседает на дне расходной цистерны, а располагается неравномерно слоями в массе топлива. Следовательно, при использовании топлива ускоряется износ цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизеля и деталей топливной аппаратуры. Согласно нормативным документам, водность подаваемого на сжигание мазута не должна превышать 0,3-1,0 % . Традиционно подготовка мазута к подаче его к судовому ДВС сводится в основном к двум операциям: обезвоживанию и нагреву [3, 4].

Мероприятия по осушению мазута испарением воды энергоемки и ведут к потере летучих компонентов топлива. Обезвоживание выполняется в основном путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует достаточно большого времени и малоэффективно из-за близости плотностей мазута и воды. Проблема утилизации или очистки таких вод не решается химическими и биологическими методами, т. к. они требуют больших дополнительных площадей, капитальных и эксплуатационных затрат [1].

При использовании ВТЭ получают существенный экономический эффект: повышение КПД дизеля на 3-5 %; снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажа, окислы азота, бен-запирены и другие канцерогенные полициклические ароматические углеводороды) в атмосферу.

Кавитационная обработка водомазутной эмульсии с добавлением кальция и ее последующее сжигание позволяют уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, сернистого ангидрида - в 2-3 раза, оксида углерода - в 2-2,5 раза. Происходят глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллят-ных топливных фракций.

Наибольший экономический эффект и одновременное уменьшение объёма газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15 % воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации вод, загрязненных органическими продуктами, реализуется при уровне водной фазы до 50 %.

Обеспечивается возможность использования некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При содержании воды в эмульсии свыше 20 % по объему качественные показатели процесса горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива. Однако если учесть, что процесс сгорания ВТЭ достаточно стабилен при более высоком содержании воды (до 40-50 %) в зависимости от вида топлива, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства. При этом стоки, даже если они не содержат горючих веществ, можно использовать в качестве водной фазы в мазутных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса.

Использование гомогенизированной водомазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы КОх и СОх в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, перед поступлением в камеру сгорания, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет 0,1-0,5 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар, преодолевая силы поверхностного натяжения топлива, разрывает топливную оболочку, увеличивая дисперсность подаваемого в цилиндр топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливовоздушной смеси [3].

В высокотемпературной зоне камеры сгорания капля эмульсии взрывается, и происходит вторичное диспергирование топлива. В результате таких микровзрывов в камере сгорания возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет камеру сгорания. Это приводит к выравниванию температурного поля цилиндровой втулки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в камера сгорания, существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество наддувочного воздуха и уменьшить связанные с ним тепловые потери [5].

Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества расходуемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД судового дизеля при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1 % увеличивается на 1 %. Время пребывания капель в реакционном объеме камеры сгорания возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива. Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтеновые структуры.

Факел горящего эмульгированного топлива в цилиндре сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с температурой уходящих газов обезвоженного мазута на 30-35 °С. Изменение параметров процесса горения и состава выхлопных газов свидетельствует о повышении эффективности использования данного вида топлива.

Находящаяся в составе ВТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.

Гомогенизированная водомазутная смесь имеет заметно меньшую вязкость, чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. При температуре выше 80 °С вязкость водомазутной эмульсии влажностью 6 % мало отличается от вязкости эмульсии с влажностью 40 %.

Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности деталей ЦПГ. При сжигании эмульсии часть капель долетает в камеру сгорания и взрывается в ней, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований и нагара.

Расширение дополнительных продуктов сгорания ВТЭ увеличивает работу газов в цилиндре дизельного двигателя. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали ЦПГ, газовыпускного тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу. Повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в турбулентных вихрях способствуют ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива.

Суммарная скорость и полнота сгорания вязких топлив в виде ВТЭ в цилиндре двигателя становится примерно равной скорости сгорания сухих легких дизельных топлив. При этом вязкое топливо в виде ВТЭ успевает полностью сгорать даже в цилиндрах высокооборотных дизелей, интенсивность отложения нагаров на деталях ЦПГ становится даже меньше, чем на чистом дизельном топливе, в ряде случаев имеет место эффект самоочистки. Имеется положительный опыт работы высокооборотных дизелей типа Ч 8,5/11, Ч 12/16, Ч 13/14 на эмульсии вода-моторное топливо (Новосибирский институт водного транспорта).

Вредного воздействия на детали топливной аппаратуры частицы воды водотопливной эмульсии не оказывают, т. к. их размеры меньше зазоров в плунжерных парах и форсунках, а частицы воды окружены снаружи прочной пленкой топлива, предохраняющей их от непосредственного контакта металла с водой.

Исследования показали, что сжигание топлива в виде ВТЭ является наиболее универсальным способом, позволяющим предотвращать образование вредных веществ в дизелях, причем этот способ хорошо подходит для судовых условий.

Высокая информативность многочисленных работ по использованию ВТЭ в судовых дизелях не исключает необходимость дополнительного рассмотрения таких проблем, как воспламенение и сгорание ВТЭ, влияние ВТЭ на температурное состояние деталей ЦПГ и воздействие ВТЭ на экологическую безопасность топлива.

Таким образом, применение ВТЭ меняет традиционное представление о процессах, происходящих в камере сгорания двигателя, позволяет иначе оценить роль воды, ее влияние на процессы горения. В составе эмульсии вода, равномерно распределенная по всему объему, оказывает совершенно другое воздействие, нежели просто вода как однородное вещество в своем нормальном физическом состоянии.

1. Павлов Б. П., Батуев С. П., Щевелев К. В. Подготовка водомазутных эмульсий для сжигания в топочных устройствах // Повышение эффективности использования газообразного и жидкого топлива в печах и отопительных котлах. - Л.: Недра, 1983. - 216 с.

2. Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Румынский А. А. Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена // Теплоэнергетика. - 1992. - № 1. - С. 41-44.

Статья поступила в редакцию 12.02.2009

URGENCY OF THE USE OF WATER-FUEL EMULSION IN EXPLOITATION OF MARINE ICE

F. V. Patrov, О. S. Vakhromeev

The influence of water-fuel emulsion on the processes occurring in combustion chamber of marine ICE is examined. The use of water-fuel emulsion helps differently to evaluate the role of water and its influence on the combustion actions.

Key words: internal-combustion engine (ICE), combustion chamber, water-fuel emulsion.

Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-52970

Материалы: http://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-vodotoplivnoy-emulsii-pri-ekspluatatsii-sudovyh-dvs

В последнее время в области дизелестроения высокими темпами происходит внедрение прогрессивных технологий. В условиях рыночной экономики особое внимание уделяется повышению технико-экономических показателей двигателя.

В рабочем процессе двигателя от качества организации процесса сгорания рабочей смеси напрямую зависят его основные параметры и характеристики.

Известно, что при обычных условиях эксплуатации, содержание воды в топливной системе крайне нежелательно, так как ее наличие приводит к возникновению коррозии и ряда других нежелательных процессов.

Это является следствием того, что при нормальных условиях вода и топливо не создают стойких растворов или эмульсий, которые бы характеризовались одинаковой кинетической устойчивостью, плотностью и дисперсностью. При правильном приготовлении ВТЭ (с содержанием водной фракции Сw= 17-20%), возможно значительное улучшение параметров процесса сгорания.

Для выявления причин влияющих на повышение показателей рабочего процесса необходимо детальнее рассмотреть процесс сгорания ВТЭ.

На микроуровне ВТЭ представляет собой каплю воды, окруженную топливной оболочкой. Как известно, дизельное топливо имеет намного высшие, чем у воды, температуры парообразования и кипения. При попадании в цилиндр, топливо, с поверхности капли, начинает интенсивно испаряться, и гореть, при этом передавая часть своей энергии капле воды.

По мере протекания процесса горения снижается уровень кислорода в цилиндре и происходит заполнение его отработанными газами. Особенно это касается центральной части топливного факела.

По мере кипения воды внутри топливного пузыря нарастает давление и когда давление насыщенных водяных паров превышает силы поверхностного натяжения, происходит микровзрыв, который вызывает вторичное дробление капель топлива, что ускоряет его прогрев, испарение и горение. Улучшается и процесс горения внутри топливного факела, где горения практически нет, и имеет место термический распад.

Кроме того, интерес представляет собой и вопрос химико-кинетического характера.

Под действием высокой температуры возможна не только термическая диссоциация молекул паров воды

но и диссоциация на водород и гидроксил, т.е

Появление активных центров окисления значительно повышает скорость реакции углеводородного топлива.

Также представляет интерес реакция газификации углерода.

При использовании ВТЭ в дизелях возможно значительное улучшение параметров процесса сгорания и снижение токсичности двигателя. При этом нет необходимости модернизации топливной аппаратуры, а необходима лишь ее перенастройка, а необходимость установки дополнительной системы подготовки ВТЭ вполне оправдана в виду улучшения параметров рабочего процесса.

• Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Автодромо - автомобильный портал, новости автомобильного рынка, тест-драйвы популярных моделей машин, полезные статьи для автолюбителей, объявления о продаже автомобилей, отзывы владельцев авто, каталог автосалонов и дилеров, форумы и другие сервисы.

Материалы: http://autodromo.ru/articles/vliyanie-ispolzovaniya-vodotoplivnyh-emulsiy-na-process-sgoraniya