Исследование и разработка устройств каталитической обработки топлива для двигателей речных судов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Митрофанов, Игорь Васильевич

• Митрофанов, Игорь Васильевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Митрофанов, Игорь Васильевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Обзор методов совершенствования процессов сгорания.

1.2. Методы каталитической обработки топлива.

1.3. Каталитическая обработка топлива с помощью низкотемпературных катализаторов.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Теоретическое описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализатора на основе цинка.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Физико-химические процессы, протекающие на катализаторе при электростатической обработке топлива.

2.3. Физико-химические процессы, протекающие в камере сгорания дизеля.т.:.

2.3.1. Влияние электризации топлива на процесс распыливания и размер получаемых капель.

2.3.2. Влияние электростатической обработки топлива на процесс тепломассообмена с окружающей средой.

2.3.3. Принципы молекулярно-кинетического подхода к оценке процесса теплообмена капли с окружающей средой.

2.3.4. Влияние заряда капли на кинетику предпламенного окисления топлива в газовой фазе.

2.3.5. Влияние заряда на процесс горения капель.

2.3.6. Свойства материала сердечника, как основы катализатора электростатической обработки топлива.

Глава 3. Создание катализатора на основе выполненного теоретического анализа.

3.1. Требования, предъявляемые к конструкции и режимам работы устройства каталитической обработки топлива с активным сердечником.

3.2. Разработка конструкции.

Глава 4. Экспериментальные исследования работы судовых дизелей с устройствами каталитической обработки топлива.

4.1. Общая методика экспериментальных исследований.

4.2. Стендовые испытания устройств каталитической обработки топлива на двигателе.

4.2.1. Описание стенда.

4.2.2. Порядок проведения экспериментов.

4.2.3. Результаты испытаний двигателя на топливе, обработанном никелем Ренея.

4.2.4. Результаты испытаний двигателя на топливе, обработанном сплавом на основе цинка.

4.3. Испытание устройства каталитической обработки топлива в виде сплава на основе цинка в судовых условиях.

4.3.1. Описание устройства и места его расположения на двигателе.

4.3.2. Порядок проведения эксперимента.

4.3.3. Результаты испытаний катализатора на основе цинка в судовых условиях.

4.4. Анализ экспериментальных результатов.

4.4.1. Обработка топлива на скелетном никелевом катализаторе.

4.4.2. Обработка топлива катализатором с сердечником на основе цинка на стенде.

4.4.3. Обработка топлива при помощи катализатора с активным сердечником на основе цинка в судовых условиях.

Глава 5. Обоснование экономической эффективности устройств каталитической обработки по результатам стендовых и судовых испытаний.

5.1. Определение затрат на модернизацию двигателя устройством каталитической обработки топлива на основе цинка.

5.2. Расчет экономической эффективности устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка устройств каталитической обработки топлива для двигателей речных судов»

Актуальность темы.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одной из актуальных задач не только для судов речного флота, но и для всего дизельного парка в целом. Увеличение цен на топливо вследствие растущего дефицита дистиллятных фракций, а также ужесточение норм на количество вредных выбросов с отработавшими газами стимулирует поиск и изучение различных способов интенсификации сгорания топлива в двигателях.

В связи с этим значительный интерес вызывают разработки и исследования устройств низкотемпературной каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них для условий применения на судне являются устройства на основе катализатора гидрирования никеля Ренея, а также металлических сплавов, обладающих определенной каталитической активностью.

Теоретических и практических исследований в области обработки топлива на катализаторах гидрирования нами найдено не было, за исключением исследований в этой области, проведенных чл. корр. АН СССР, проф. А.Д. Петровым.

Вопросам электростатической обработки магнитным и электрическим полями (обработку топлива на катализаторе с активным сердечником мы также относим к этим видам обработки) посвящено много исследований. Значительный вклад в разработку теории электростатической обработки топлив был внесен A.M. Багдасаровым, К. Асакавой, H.A. Ефимовым, В.А. Звоновым, A.M. Красносельским, Э.К. Копейки-ной, Н.С. Ревзиным, Ю.М. Кузнецовым и др.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области практического применения такого типа устройств, единой теории, позволяющей обрисовать картину явлений, происходящих при сгорании наэлектризованных топлив, до настоящего времени нет. Практически нет единого мнения о процессах, происходящих при обработке топлив на катализаторах с сердечниками, шариками из металлических сплавов и т.п. Следовательно, нет теоретического обоснования размеров и формы сердечников, шариков, скоростей их обтекания топливом, места расположения относительно устройств топливоподачи и т.д.

В связи с этим тема проведенного исследования актуальна.

Цель работы.

Целью работы является теоретическое исследование и описание физико-химических процессов, происходящих при обработке топлива с помощью катализаторов, и создание на основе проведенного исследования, а также анализа литературных источников, касающихся различных (в том числе каталитических) методов совершенствования процессов сгорания в дизелях, эффективного устройства каталитической обработки топлива.

Исследование выполнено с помощью экспериментальных и теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных стендах и в судовых условиях с учетом требований и рекомендаций нормативно-справочной литературы. Полученные результаты обрабатывались с использованием основных положений теории погрешностей. В экспериментах использовались отечественные датчики и анализирующе-регистрирующая аппаратура, например, комплекс АИР-50, электронный индикатор ЛИВТа и др.

Теоретическое исследование выполнено с использованием основных законов физики и химии и с привлечением накопленного экспериментального материала. Часть выводов сформулирована по результатам анализа экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, а также по результатам моделирования процессов каталитической обработки топлива на компьютере.

Научная новизна.

Сформулированы новые положения, необходимые для описания процессов, происходящих при каталитической обработке топлив и их сгорании в двигателях.

Разработана технология изготовления устройства каталитической обработки топлива на основе активного металлического сплава.

Разработаны математические модели, позволяющие оценить изменение физико-химических характеристик топлива после его обработки на никелевом катализаторе, а также оптимальные геометрические размеры активного сердечника.

Практическая ценность.

Разработаны конструкции предлагаемых устройств и схемы их включения в состав судовой системы топливоподготовки, что позволит повысить топливную экономичность судовых дизелей.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжской государственной академии водного транспорта (Н. Новгород, 1996 - 1999) и международной научно-технической конференции «Энергосберегающие теплотехноло-гические процессы и установки» (Севастополь, 1997).

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Митрофанов, Игорь Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Выполненный литературный поиск методов совершенствования процесса сгорания в дизельных двигателях позволил сузить область исследования, которая была ограничена рассмотрением различных методов каталитической обработки топлива. Наиболее перспективными из них признаны технологии обработки топлива с помощью скелетного катализатора никеля Ренея в присутствии водорода и активного катализатора, изготовленного из сплава на основе цинка. Отличительной особенностью этих катализаторов являются: простота, надежность и низкая температура, при которой осуществляются физико-химические процес

Проведен анализ физико-химического механизма процессов, протекающих на данных катализаторах, а также физико-химического механизма влияния обработанного топлива на процессы предпламенной подготовки и сгорания. Это позволило оценить воздействие никелевого катализатора на процесс сгорания, а также сформулировать основные требования к конструкции и режимам работы катализатора на основе цин

В лабораторных и судовых условиях проведено экспериментальное исследование параметров рабочего процесса двигателей 6ЧРН 27,5/36 и 6ЧРН 36/45 (Г70-5), которое подтвердило эффективность обработки топлива при помощи данных катализаторов, о чем свидетельствует снижение расхода топлива: на никелевом катализаторе на 1,6 - 3,8 %, в зависимости от нагрузки двигателя; на катализаторе с активным сердечником на 1,4 - 5,4 %, в зависимости от нагрузки и режима работы двигателя.

При этом отмечено незначительное повышение максимального давления цикла на 0,05 - 0,246 МПа и снижение температуры отработавших газов на 2,5 - 20 °С.

При проведении теоретического и экспериментального исследования получены частные выводы, наиболее интересными из которых являются следующие:

1. Электростатическое заряжение топлива практически не влияет на размеры капель, получаемых при распыливании.

2. Наличие заряда в капле способствует уменьшению поверхностного натяжения. Интенсивность снижения этого параметра увеличивается с уменьшением размера капли.

3. При уменьшении радиуса капли заряженного топлива до значения гкр происходит уменьшение давления насыщенного пара у ее поверхности. В результате этого снижается скорость испарения вещества капли.

4. При испытаниях активного катализатора на основе цинка максимальная экономия топлива (3,35 % при работе двигателя по нагрузочной характеристике, 5,4 % - по винтовой характеристике) наблюдалась при параллельном соединении секций катализатора.

5. При работе двигателя по нагрузочной характеристике на режимах 0,5Ре и 0,75Ре получена приблизительно одинаковая экономия топлива («3 % и «2 %, соответственно) как при его гидрировании, так и при обработке на цинковом катализаторе.

6. При работе двигателя на гидрированном топливе и топливе, обработанном с помощью цинкового катализатора, замечено изменение параметров рабочего процесса. Характер изменения параметров сохранялся при переходе с одного способа обработки топлива на другой.

7. На основании изложенного в пунктах 5 и 6 можно предположить, что механизмы воздействия описанных видов обработки топлива на рабочий процесс аналогичны. Сущность его заключается, по

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Митрофанов, Игорь Васильевич, 1999 год

1. Абросимов В.Ф. и др. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей // ВНИПИнефть, Термодинамический центр В/О Нефтехим. М.: Химия, 1974. 241 с.

2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.568 с.

3. Асакава К. Физические методы интенсификации процессов горения. Вопросы горения. // Материалы VI и VII международных симпозиумов по горению. -М.: Металлургиздат, 1963. С 236-262.

4. Астахов И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1972. 359 с.

5. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроходные дизели. -М.: Машгиз, 1951. 520 с.

6. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях: Пер. с англ. -М.: Химия, 1967. 256 с.

7. Гаврилов Б.Г., Гулин Е.И., Лесников А.П., Новикова Т.А. Химические основы термофорсирования двигателя дизеля // ЖПХ, АН СССР 1963. - т. XXXVI. С. 2498 - 2502.

8. Гальперин А.Е. Производство присадок к моторным и транспортным маслам. -М.: Химия. 1974. 236 с.

9. Гершман И.И. Влияние температуры топлива на период задержки воспламенения в дизеле и эмиссию сажи // ВИНИТИ М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1974. Вып. 7 (54). С. 1 -7.

10. Гиршфельд Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей: Пер. с англ. -М.: Иностр. литер. 1961. 451 с.

11. П.Жданов A.C., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. 4-е изд., испр. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 512 с.

12. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. Л.: Судостроение. 1989. 256 с.

13. Исследование влияния катализатора на характеристики и удельный расход топлива судового дизельного двигателя // Отчет о НИР. ЦЭЭВТ Н. Новгород: ВГАВТ, 1993. 60 с.

14. Ищук Ю.Г. Задержка воспламенения различных топлив в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1986. 105 с.

15. Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1985. 100 с.

16. Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания топлива в судовых дизелях. -Л.: Судостроение, 1987. 56 с.

17. Каменецкая С.А., Славинская Н.А., Пшезецкий С.Я. Влияние озона на воспламенение углеводородов. Сб. Кинетика и распространение пламени. М.: Изд-во АН СССР, 1959. С 78-93

18. Камфер Г.М. Процессы тепломассообмена и испарения при смесеобразовании в дизелях. Учебн. пособие. -М.: Высшая школа, 1974. 143 с.

19. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. Изд. 5-е, стереотипное. М.: Химия, 1978. 624 с.

20. Когарко С.М., Басевич В .Я. Промотирование горения распыленного жидкого топлива. // Физика горения и взрыва, 1977, т. 13, № 2, с. 275 -278.

21. Когарко С.М., Девишев М.И., Басевич В.Я. Исследование влияния активных частиц продуктов реакции на процессы горения в потоке. // Докл. АН СССР, 1959, т. 127, № 1.

22. Кондратьев В.М. Исследование влияния свойств топлив, полученных их ненефтяного сырья, на характеристики дизеля // ВИНИТИ. -М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1985, вып. 33 (171). С. 11 15.

23. Кукушкин В.Л., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Измерительный голографический комплекс и методика исследования дизельного факела // Двигателестроение 1983, № 9. С. 24 - 26.

24. Кумагаи С. Горение: Пер. с японского. Химия, 1980. 256 с.

25. Лернер М.О. Химические регуляторы горения моторных топ-лив. -М.: Химия. 1979. 223 с.

26. Лышевский A.C. Системы питания дизелей: Учеб. пособие для студентов вузов. -М: Машиностроение, 1981. 216 с.

27. М.Х. Карапетьянц, С.Н. Дракин Строение вещества. Изд. 2-е. -М.: Высшая школа, 1978. 310 с.

28. Обельницкий A.M. Топливо и смазочные материалы. М.: Высшая школа. 1982. 200 с.

29. Павличенко A.M. Жуков В.П. Гидродинамический расчет процесса впрыска топлива с использованием ЭЦВМ. Николаев: Изд-во НКИ им. адм. С.О. Макарова, 1980. 40 с.

30. Петражицкий Г.Б. Обработка и обобщение результатов экспериментального исследования испарения капель. Тр. Одесского ун-та, 1970, т. 150. Сер. физ. наук, Вып. 7. С. 161 - 186.

31. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания. Учебн. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. 224 с.

32. ПокровскийГ.П. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости. М.: Машиностроение. 1985. 200 с.

33. Разлейцев Н.Ф. К расчету испарения топлива в цилиндре дизеля на участке топливоподачи. // Двигатели внутреннего сгорания. Вып 23, Харьков, 1976. 143 с.

34. Разлейцев Н.Ф. Особенности смесеобразования и сгорания в тепловозных дизелях типа Д-70. // Двигатели внутреннего сгорания. Вып. 20, Харьков, 1974. С. 32-40.

35. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. -Л.: Химия, 1982. 592 с.

36. Ронинсон Л.С., Терентьев В.А. Опыт применения присадок па-роводородной смеси в транспортном дизеле // Двигателестроение 1982. №2. С. 20-33.

37. Рябчиков О.Б. Влияние перегрева тяжелых топлив на характеристики дизеля с неразделенной камерой сгорания // ВИНИТИ. М.: АН СССР. Экспресс-информация. 1986. Вып. 45 (220). С. 3 -8.

38. Саблина З.А., Гуреев A.A. Присадки к моторным топливам. -М.: Химия. 1977. 215 с.

39. Салимов А.У., Балабеков М.Т., Багдасаров A.M. Вопросы теории электростатического распиливания. Ташкент, «ФАН». 1968. 110 с.

40. Салтанов Г.А. Сверхзвуковые двухфазные течения. Минск: Думка, 1972. 479 с.

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

42. Селезнев Ю.В. Моделирование тепловыделения в дизелях через функцию топливоподачи и параметры смесеобразования. Харьков. 1980. Вып. 31. С. 47 -52.

43. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение. - 1972. 224 с.

44. Сомов В.А., Ищук Ю.Г. Судовые многотопливные двигатели. -Л.: Судостроение. 1984. 240 с.

45. Справочник по горюче-смазочным материалам в судовой технике / Гулин Е.И., Якубо Д.П., Сомов В.А., Чечот И.М. 2-е изд., пере-раб. и доп. - Л.: Судостроение, 1987. 224 с.

46. Старов A.A. Комбинированная подготовка моторного топлива для судовых дизелей барботированием водяного пара и кавитационной обработкой полученной эмульсии / Дисс. . канд. техн. наук. -Н.Новгород: ГИИВТ, 1990. 348 с.

47. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. М: Химия, 1976. 112 с.

48. Торквато С., Смит П. Скрытая теплота парообразования широкого класса жидкостей // Тр. Амер. Об-ва инж.-механиков. 1984. № 1. 215 с.

49. Трусов В.И., Младенов МБ. К определению коэффициентов истечения для сопловых отверстий распылителей форсунок // Тр. МА-ДИ. Вып. 22, Москва, 1974. С. 51-55.

50. Устройство для обработки топлива для двигателя внутреннего сгорания: Описание изобретения № 1799429АЗ с приоритетом от 27.06.91.-М.: ВНИИПИ, 1993.

51. Фасман А.Б. Некоторые закономерности процесса гидрирования на никелевом катализаторе // Кинетика и катализ, т. 4, № 5. 1963. С. 1237-1242.

52. Фиалков Ю.Я., Житомирский А.Н., Тарасенко Ю.А. Физическая химия неводных растворов. Л.: Химия, 1973. 376 с.

53. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учебн. для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия, 1984. 368 с.

54. Химия нефти и газа: Учеб. пособие для вузов / В.А. Проскуряков, А.Е. Драбкин. Л.: Химия, 1981. 359 с.

55. Элементы САПР ДВС: Алгоритмы прикладных программ: Учеб. пособие для вузов / P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. Л.: Машиностроение, 1990. 328 с.145

56. Brown B.H. Fuel treating devise and method. Патент США № 4429665 кл. F02M27/00. 1982.

57. Gal-Or В., Yaron i. Convective mass or heat transfer from size-distributed ensembler of drops, bubbles, or solid particles// Progress in heat and mass transfer, selected papers of 1970 International Seminar. Vol.5. Per-gamon Press, 1972.S.309-326.

58. Temple-Pediani R.W. Effect of pre-injection fuel temperature upon diesel engine ignition delay and soot emission. Proc. Inst. Mech. Eng., 1973, 187, №32, pp. 395-404.