Водоемульгування палив

У середньо- та малообертових дизелях застосовують більш дешеві важкі сорти палив. Робота дизеля на таких паливах викликає ряд проблем, пов’язаних з погіршенням процесів сумішоутворення в циліндрі та згоряння, підвищенням рівня теплонапруження, збільшенням кількості лакоутворень та нагаровідкладень на деталях ЦПГ, інтенсифікацією зносів ЦПГ, скороченням терміну служби змащувальної оливи /4/.

Одним з ефективних шляхів вирішування цих проблем є застосування водопаливних емульсій (ВПЕ), використання яких не потребує будь-яких переробок двигуна, не викликає необхідності зміни технології отримання палива і не має потреби у великих капіталовкладеннях/4,10/.

ВПЕ – це дисперсна система, що складається з дрібних крапель води (дисперсної фази), яка розподілена у паливі (дисперсійній фазі).

У дизелях застосовують емульсії типу «вода в оливі», що унеможливлює контакт металевих поверхонь паливної апаратури та стінок трубопроводів з водою.

Роль води, що входить до складу ВПЕ, у процесі сумішоутворення палива з повітрям у циліндрі дизеля пояснюється дослідниками наступним чином. Відомо, що температура кипіння води за нормального тиску дорівнює 100°С, а мазуту 260 – 300°С. Крапля емульсії типу «вода в оливі» являє собою систему, що складається з палива, в якому рівномірно у вигляді дрібних частинок розподілені крапельки води. Хоча температура поверхні краплі рідини у процесі її випаровування дещо менша температури кипіння, різниця між температурою поверхні частинки палива і температурою кипіння води, що зосереджена всередині краплі палива, залишається досить суттєвою і досягає 70 – 200°С.

Завдяки цьому мікроглобулки води, що знаходяться всередині краплі емульсії, у процесі її прогріву скоріше переходять у пароподібний стан та утворюють парові бульбашки, ніж плівка палива, що обволікає ці бульбашки. До того ж товщина плівки палива внаслідок випаровування з поверхні краплі безперервно зменшується. В ту мить, коли тиск прагнучої розширитися водяної пари всередині частинки перевищить уже ослаблені (внаслідок її нагрівання) сили поверхневого натягу плівки, відбудеться руйнування поверхні краплі (мікровибух). Це призведе до інтенсивного розпилювання крапель палива і доброго перемішування їх з повітрям у циліндрі дизеля.

Завдяки цьому процес згоряння палива стає більш досконалим і протікає за менший проміжок часу. Більш повне згоряння у цьому випадку забезпечується також газифікацією сажистих залишків палива, які зазвичай не встигають згоряти, але у присутності пари води у достатній кількості взаємодіють з останньою за температури вищої 800°С з утворенням вуглекислого газу та водню. Вільний водень реагує з киснем скоріше і активніше, ніж вуглець. Наявність таких реакцій підтверджується тим, що при упорскуванні води у всмоктувальний колектор дизеля на днищі цього поршня, кришці циліндра і на випускному патрубку нагар і сажу, як правило, не знаходять/ /.

Інтенсивність процесів сумішоутворення в циліндрі, згоряння і в цілому економічність дизеля при роботі на ВПЕ визначаються в основному двома факторами – збільшенням поверхні випаровування паливних плівок на емульсійних бульбашках (за рахунок попереднього диспергування води) та тривалістю упорскування палива.

Для полегшення утворення та підвищення стійкості емульсії малов’язких палив до неї додають поверхнево-активні речовини (ПАР) – емульгатори {мазут (1...2%), спирти (менше 5%) та їхні складні ефіри (0,05...0,5%)}. Для отримання емульсій важких палив емульгатори не потрібні, бо у них є свої природні ПАР – смоли і асфальтени.

Якість води для приготування ВПЕ в теперішній час не регламентується.

Густина ВПЕ залежить від густини компонентів та їхнього кількісного співвідношення в емульсії / 10 /:

ρ _е = ρ _п ∙ ξ _п + ρ _в ∙ ξ _в,

де ρ _е, ρ _п, ρ _в – густина емульсії, палива і води відповідно при даній температурі;

ξ _п, ξ _в – об’ємні долі палива і води в емульсії.

В’язкість ВПЕ перевищує в’язкість вихідного палива. Зі збільшенням вмісту води в’язкість емульсії зростає. З підвищенням температури різниця між величинами в’язкості емульсії та вихідного палива скорочується і за температури 85...100°С в’язкість емульсії, особливо при вмісті води в емульсії ξ = 15...20%, уже мало відрізняється від в’язкості палива.

Величина поверхневого натягу на границі «рідина – газ» паливна плівка, що обволікає парогазову кульку, визначає якість розпилювання та згоряння емульсії. Зі зниженням поверхневого натягу збільшується тонкість розпилювання палива та повнота його згоряння. З підвищенням вмісту води залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури стає більш помітною.

Стабільність ВПЕ є важливим показником її якості з точки зору надійності роботи дизеля на ВПЕ.

Розрізняють кінетичну та агрегативну стабільність.

Кінетична стабільність визначається стійкістю часток дисперсної фази (крапель води) до седиментації (розшарування дисперсних систем під дією сил тяжіння). Вона залежить від величини дисперсності та різниці густин палива і води.

Агрегативна стабільність характеризується стійкістю часток дисперсної фази до коалесценції та визначається наявністю емульгаторів, що утворюють на поверхні крапель води сольватний молекулярний шар, який запобігає їхньому злиттю.

Емульсії типу «дизельне палива – вода» мають низьку кінетичну стабільність. Розшарування відбувається за декілька годин. Агрегативна стабільна стабільність емульсії такого типу значно вища. Вона знижується при підігріві до температури більшої, ніж 50°С. низькі температури помітно не впливають на стабільність цієї емульсії.

Високу стабільність мають емульсії, отримані на основі мазутів. Ця стабільність зберігається протягом декількох місяців і не змінюється при нагріванні емульсії до 90...92°С та охолодженні її до низьких температур.

Питання про стабільність емульсії відпадає, якщо ВПЕ використовують одразу після її приготування.

Дисперсність ВПЕ визначається розмірами крапель дисперсної фази (води). Чим менші розміри крапель водної фази і менші відмінності їх за розмірами між собою, тим більш рівномірно розподіляються часточки води у паливі, що підвищує кінетичну стабільність емульсії.

Дисперсність залежить від густини, в’язкості, поверхневого натягу, рідин, що перемішуються, їхнього кількісного співвідношення, способу і тривалості диспергування. Середній діаметр дисперсної фази (d_к) змінюється від 1 до 50мкм.

Дисперсність емульсії, що подається в дизель, визначається фільтруючим матеріалом паливного фільтра. При пропусканні емульсії дисперсністю 6...15мкм через повстяний фільтр d_к збільшується на 8...10%, а при фільтрації більш грубих емульсій різниця середніх розмірів крапель збільшується на 15...17%.

Температура застигання ВПЕ залежить від температури застигання палива та вмісту води в емульсії. Вода, що знаходиться в емульсії, підвищує температуру застигання останньої, що погіршує пускові властивості дизеля при низьких температурах.

Температура спалаху ВПЕ визначає ступінь її пожежної небезпеки. Зі збільшенням вмісту води в емульсії ця температура підвищується, що забезпечує при інших рівних умовах більшу пожежну безпеку.

Теплотворна спроможність ВПЕ менша, ніж вихідного палива через витрати теплоти на випаровування води, які прямо пропорційні її кількості в емульсії. При збільшенні вмісту води від 0 до 40% теплотворна спроможність дизельного палива знижується приблизно на 5%, а мазуту М-60 – на 43,5%.

Необхідно пам’ятати, що циклова подача емульсії, яка забезпечує потрібну потужність дизеля, переведеного з чистого палива на ВПЕ, буде перевищувати необхідну для цієї ж потужності циклову подачу палива. Тому важливо, щоб це перевищення не виходило за межі запасу по подачі ПНВТ.

Для приготування ВПЕ застосовують /10/:

а) колоїдні мельниці (машини для підігрівання грубо-дисперсних систем – суспензій та емульсій), виготовляють емульсії високої якості (середній діаметр крапель d_к = 3...5мкм), однак потребують великих енергозатрат і мають малу продуктивність;

б) механічні мішалки – не дозволяють отримати дрібнодисперсну емульсію (d_к у них 12...18мкм), хоча мають більшу продуктивність та менші витрати енергії;

в) струминні диспергатори – прості по конструкції, забезпечують d_к = 2...8мкм, коли працюють у комплекті з шестеренчастими насосами у варіанті багатократної (14...15 разів) обробки;

г) барботажні пристрої – характеризуються нерівномірністю розподілу глобул води (d_к = 5мкм) по об’єму емульсії та високою витратою енергії;

д) ультразвукові та кавітаційні установки – дозволяють отримати емульсію з розмірами частинок d_к = 5мкм, мають високу вартість і складну конструкцію;

є) гомогенізатори – створюють емульсію з розмірами крапель 1мкм і менше, складні по конструкції, працюють при високих тисках (до 35МПа), що призводить до підвищеного зносу та поломки їхніх деталей, потребують багатократної обробки емульсії та великих енерговитрат;

ж) роторно-пульсаційні апарати (РПА) – прості по конструкції, надійні в експлуатації, потребують малих затрат енергії. При двократній обробці отримують емульсію з розміром частинок 3...6мкм, а в майбутньому можливо довести цей розмір до 0,5...1,0мкм. Конструктивно це два комплекти пустотілих коаксильних циліндрів з отворами різноманітної форми уздовж твірної. При обертанні одного набору (ротора) відносно другого (статора) здійснюється швидке почергове суміщення та перекриття прорізів, що призводить до виникнення пульсуючого з великою частотою рідинного потоку з різно-направленим полем швидкостей, кавітації та інших явищ.

Аналіз систем по приготуванню ВПЕ свідчить про те, що існує два принципових підходи до їхньої реалізації /10/.

Перший підхід передбачає приготування ВПЕ без всілякого зв’язку з роботою дизеля, при чому емульгування здійснюється в системі паливопідготовки з накопиченням готової ВПЕ у проміжних ємностях для відносно довгого зберігання. Фільтрація ВПЕ здійснюється перед ПНВТ. Регулювання складу ВПЕ за вмістом води відсутнє. Для приготування емульсії застосовують мішалки, дроселюючі пристрої та інш. Недоліком цієї системи є неможливість оптимізації вмісту води відповідно до навантаження дизеля, складність реалізації його роботи на важких паливах, необхідність застосування емульгаторів, складність фільтрації ВПЕ, переводу дизеля для роботи на чистому паливі та видалення ВПЕ з системи паливопідготовки при зупинці дизеля.

Другий підхід передбачає приготування ВПЕ шляхом диспергування палива безпосередньо перед ПНВТ. При цьому компоненти ВПЕ зберігаються окремо, стадії первинної обробки (фільтрація, підігрів) також виконуються окремо. Такий підхід дозволяє оптимізувати вміст води та інших компонентів ВПЕ у залежності від типу дизеля, режимів його роботи, сорту палива та пріоритету цілі – економія палива, переведення дизеля на більш важке паливо, форсування за потужністю, зниження токсичності.

До переваг цієї системи емульгування відносяться: простота очистки вихідних продуктів ВПЕ, можливість робити на важких паливах, що потребують підігріву до 100 – 150°С перед ПНВТ і просте переведення дизеля з чистого палива на ВПЕ та навпаки. Система не потребує додаткових витрат на підтримку стабільності емульсії, так як ВПЕ витрачається одразу після її отримання.

Однак цей варіант емульгування може бути реалізованим тільки при наявності у схемі диспергатора, що забезпечує отримання ВПЕ необхідної якості за умови однократної обробки.

Таким чином, система приготування емульсії безпосередньо перед ПНВТ є найбільш прийнятною в експлуатації. Вона дає можливість оптимізувати вміст води у ВПЕ у разі зміни режиму роботи дизеля, виключає застосування багатокоштовних емульгаторів для підтримки стабільності емульсії.

Дата добавления: 2014-12-26