СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА ТЯЖЕЛОМ ТОПЛИВЕ
Г. С. Юр, докт. техн. наук (ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», e-mail: ksdws@nsawt.ru)
Широкое применение тяжелого топлива на флоте обусловлено получением судовладельцами значительной дополнительной прибыли за счет полуторной — двойной разницы в цене между тяжелыми и дистиллятны-ми топливами [1]. Кроме этого наблюдается неуклонный рост стоимости дизельного топлива в результате истощения запасов легких сортов нефти, увеличения объемов добычи и повышения стоимости переработки тяжелого углеводородного сырья.
По сравнению с дистиллятными топливами в составе тяжелых топлив в большом количестве присутствуют высокомолекулярные твердые и полутвердые углеводородные соединения. В тяжелых прямогонных топливах содержание кокса составляет 5—10% и 18— 20% в тяжелых крекинг-топливах. Количество асфальтенов, находящихся в виде коллоидного раствора, доходит до 12% [1]. Утяжеление фракционного состава топлива увеличивает дымность отработавших газов, приводит к интенсивному нагарообразова-нию на деталях центральной поршневой группы, в выпускном тракте и газовых турбинах. Как следствие, увеличивается износ деталей дизеля и затраты на ремонт и техническое обслуживание. В связи с неполнотой сгорания и несвоевременностью подвода теплоты к рабочему телу в ходе рабочего процесса увеличивается удельный эффективный расход топлива. Особенно отчетливо все эти отрицательные явления проявляются при повышении частоты вращения коленчатого вала.
В последнее время особо пристальное внимание уделяется мероприятиям по предотвращению загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами. В соответствии с новой редакцией Технического кодекса МАРПОЛ 73/78 удельные средневзвешенные выбросы газообразных вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей за период с 2011 по 2016 г. должны быть сокращены более чем в три раза. В то же время выбросы частиц судовыми дизелями пока законодательно не регламентируются. Обычно не допускается наличие видимого дыма [2]. По нашему мнению, это связано с отсутствием эффективных инновационных технологий,
обеспечивающих своевременное и полное сгорание тяжелых топлив, и нежеланием судовладельцев повышать эксплуатационные расходы путем замены тяжелого топлива более дорогим дистиллятным. Вполне возможно, что с появлением таких технологий будет введено и нормирование выбросов частиц для судовых дизелей.
Таким образом, поиски нового способа увеличения скорости и полноты сгорания тяжелого топлива с целью улучшения экологических, энергетических и ресурсных показателей судовых дизелей весьма актуальны.
Рассмотрим особенности процесса горения капли тяжелого топлива. В фазе основного (диффузионного) горения скорость этого процесса лимитируется скоростями испарения жидкой фазы и перемешивания паров топлива с воздухом. В это же время внутри капли происходит полимеризация высокомолекулярных углеводородных соединений. В результате образуется частица кокса (ценосфера), размер которой может составлять 25% и более от первоначального размера капли топлива [3]. Известно, что время горения частицы кокса на порядок больше времени горения капли дистиллят-ного топлива одинакового размера, а температура горения превышает 2000 °С. При прекращении подвода к частице кокса теплоты и окислителя процесс горения частицы прекращается. В итоге при работе дизеля на тяжелом топливе наблюдается увеличение концентрации оксидов азота, повышение дымности и температуры отработавших газов.
Для разрушения высокомолекулярных соединений, асфальтенов и кокса, находящихся внутри капель тяжелого топлива, предлагается использовать кавитацию.
Процесс захлопывания парогазового пузырька сопровождается мощными гидродинамическими, кумулятивными, тепловыми и другими эффектами, обладающими значительной энергией [4].
Для осуществления кавитации необходимо, чтобы амплитуда пульсаций давления была достаточной для гарантированного преодоления порога кавитационной прочности жидкости. Зародышами кавитации мо-
судовые ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ судостроение
гут быть примеси и мелкодисперсные пузырьки воздуха размером 0,05—0,1 мм, которые содержатся в углеводородных топливах [5].
Пороговое значение кавитаци-онной прочности для капель топлива, распыленного в камере сгорания, определяется физическими и химическими характеристиками топлива, наличием зародышей кавитации, размером капель и зародышей кавитации, давлением и температурой газовой среды.
В результате проведенных численных исследований динамики изменения радиуса газового пузырька, находящегося внутри капли топлива, которая помещена в возмущенную газовую среду, определено, что при превышении амплитуды пульсаций давления выше определенного порогового значения произойдет захлопывание газового пузырька. При амплитуде пульсаций давления ниже этого порогового значения захлопывания газового пузырька не будет и процесс кавитации не осуществится.
Результаты численных исследований получили свое подтверждение в ходе экспериментов.
Капля топлива, подвешенная на державке, подавалась в печь, в которой возбуждались пульсации воздуха различной частоты и амплитуды [6].
Экспериментальные исследования процессов испарения и горения капли мазута в спокойной и возмущенной нагретой воздушной среде при амплитуде пульсаций давления в возмущенной среде, превышающей пороговое значение ка-витационной прочности капли тяжелого топлива, показали следующее (рис. 1).
1. При горении капли мазута происходит полимеризация фракций тяжелого топлива с высоким содержанием углерода. В результате этого процесса образуется твердый скелет — ценосфера. Длительность процесса диффузионного горения пропитанной топливом ценосферы составляет 52% от всего времени горения капли мазута.
2. При испарении капли мазута в нагретой возмущенной воздушной среде, при амплитуде пульсаций давления, превышающей порог кавитационной прочности жидкости, ценосфера не образуется. На полученных в ходе опытов фотографиях внутри капли мазута отчетливо
Рис. 1. Зависимость изменения относительного объема неподвижной капли мазута при различных условиях
1 — испарение в возмущенной воздушной среде; 2 — горение в спокойной воздушной среде; V — текущий объем капли мазута; Vo — начальный объем капли; t — текущее время; 12 — полное время горения капли мазута в возмущенной воздушной среде
видны газовые пузырьки, характерные для процесса кавитации [6].
3. Время процесса испарения капли мазута в условиях кавитации по сравнению с временем горения капли мазута в спокойной среде уменьшилось почти в два раза.
Для исследования состава продуктов, образовавшихся при испарении капель топлива в возмущенной нагретой воздушной среде, была изготовлена специальная проточно-импульсная установка. В кварцевую трубу, снабженную электрическим нагревательным устройством, при помощи дизельной штифтовой форсунки впрыскивалось тяжелое топливо. Пульсации газовой среды генерировались электродинамическим излучателем. Исследования проводились в Институте катализа СО РАН. Состав полученного газообразного продукта изучался при помощи хроматографа ЛХМ-8МД. В ходе экспериментальных исследований обнаружены новые физические и химические явления. При преодолении кавитационного порога внутри капель тяжелого топлива происходит качественный переход от процессов полимеризации и испарения к процессам крекинга и газификации.
Хроматографический анализ полученной смеси газов показал, что наряду с широким спектром различных легких углеводородов и водорода в газовой смеси находится этилен в количестве до 24% по массе [7].
Известно, что этилен является промотором, инициирующим процесс
горения. Добавление промоторов в небольших количествах к топливу используется в прямоточных воздушно-реактивных двигателях для интенсификации реакции окисления [8].
Все эти новые явления увеличивают скорость и полноту сгорания распыленного тяжелого топлива.
Определим основные требования к проектированию камеры сгорания дизеля, работающей в режиме внутрикапельной кавитации.
1. Амплитуда пульсаций давления газовой среды в цилиндре дизеля должна быть выше порогового значения кавитационной прочности капель тяжелого топлива и ниже значения, при котором начинается режим детонационного горения.
2. Процесс кавитации в каплях распыленного в камере сгорания топлива должен начинаться после прохождения поршнем верхней мертвой точки и заканчиваться с окончанием процесса сгорания.
С использованием приведенных выше результатов теоретических и экспериментальных исследований были спроектированы, изготовлены, прошли испытания и подтвердили свою работоспособность новые камеры сгорания дизелей.
Камера сгорания первого поколения была изготовлена на базе отсека Ч 13/14. Целью НИОКР было создание работоспособной конструкции и исследование принципиальной возможности преодоления порога кавитационной прочности при работе на тяжелом топливе [6, 9].
Камеру сгорания второго поколения изготовили на базе отсека Ч 15/18. В ней применено объемное смесеобразование при помощи двух тангенциально расположенных штифтовых форсунок (по аналогии с конструкцией камер сгорания судовых дизелей Вяртсиля [10, 11]). Целью работы было изучение влияния кавитации на экологические и энергетические показатели опытного дизеля при работе на тяжелом топливе.
В камере сгорания третьего поколения, изготовленной также на базе отсека Ч 15/18, осуществлен управляемый (по углу поворота коленчатого вала) процесс внутрикапельной кавитации. Цель работы заключалась в применении в качестве основы штатной, наиболее распространенной и экономичной камеры сгорания Гессельмана со штатной форсункой [11].
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2014
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Для сравнения были определены нагрузочные характеристики дизеля со штатной камерой сгорания и опытной камерой сгорания третьего поколения при работе на котельном мазуте с содержанием кокса 12,1%. Частота вращения коленчатого вала имеющегося в распоряжении отсека была преднамеренно ограничена только по требованиям
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.