Топливо и топливные системы судовых дизелей

Ю. А. Пахомов Ю. П. Коробков Д. В. Дмитриевский Г. Л. Васильев
ТопливДН
и топливные системы судовых дизелей
РосКонсульт
Пахомов Ю. А., Коробков Ю. П., Дмитриевский Е. В., Васильев Г.Л. Топливо и топливные системы судовых дизелей Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 101200 «Двигатели внутреннего сгорания» направления 651200 «Энергомашиностроение» Москва «РКонсульт» УДК 629.12-8 (075.3) ББК 39.42-04я73 П 21 Федеральная целевая программа «Культура России» Поддержка полиграфии и книгоиздания России Рецензенты: к.т.н., доцент В.К. Румб; к.т.н. Г.В. Яковлев; к.т.н. В.Т. Бордуков П 21 Топливо и топливные системы судовых дизелей/ Пахомов Ю. А., Коробков Ю.П., Дмитриевский Е. В., Васильев Г.Л. Под редакцией канд. техн. наук Пахомова Ю.А.- М.: РКонсульт, 2004 - 496 с.' ил. ISBN 5-94976-010-7 В книге приводятся эксплуатационные характеристики жидких и газообразных топлив, типы топливных систем низкого и высокого давления, их принципы действия и характеристики устройств и агрегатов для судовых дизелей работающих на различных сортах топлив. Рассматриваются основные неисправности, причины возникновения и мероприятия по их предупреждению в топливных системах, а также влияние различных факторов на токсичность дизелей и методы ее снижения до требований стандартов. Книга может использоваться как научное пособие для специалистов-эксплуатационников, проектировщиков двигателей с топливными системами низкого и высокого давления, а также в качестве учебного пособия для студентов обучающихся в технических и морских вузах. УДК 629.12-8 (075.3) ББК 39.42-04я73 © Пахомов Ю.А., Коробков Ю.П., Дмитриевский Е.В., Васильев Г.Л., 2004 © Издательство «РКонсульт», 2004 ISBN 5-94976 010-7 Книга посвящается 130-летию со дня основания старейшего машиностроительного предприятия России ОАО «Брянский машиностроительный завод» и 75-летию Брянского Государственного технического университета ВВЕДЕНИЕ В качестве судовых энергетических установок наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия - дизели. Дизели обеспечивают высокую агрегатную мощность и экономичность, большой моторесурс и возможность применения разнообразного жидкого и газообразного топлива. В практике эксплуатации судовых дизелей часто приходится решать вопросы, связанные с оценкой допустимости и экономической эффективности применения того или иного топлива. Для этого необходимо располагать информацией о свойствах топлива и их влиянии на параметры рабочего процесса и работоспособность деталей цилиндропоршневой группы. К важнейшим эксплуатационным свойствам в первую очередь относятся: вязкость, плотность, температура вспышки и застывания, содержание различных компонентов и др. Все более широкое применение в судовых дизелях находят тяжелые и низкосортные топлива. Для оценки их качества перечисленных показателей недостаточно. В частности, увеличение содержания ароматических соединений и асфальтенов ухудшает их способность к воспламенению и сгоранию. При смешивании таких топлив отмечаются случаи нарушения их стабильности, обусловленного высоким содержанием асфальтосмолистых соединений. В продукты каталитического крекинга попадает ката-лизаторная пыль, состоящая из алюмосиликатов, вызывающих интенсивное абразивное изнашивание цилиндров. В связи с этим появляются дополнительные требования по следующим показателям: содержанию асфальтенов, способности к самовоспламенению, стабильности и совместимости, содержанию алюминия, кремния и др. Качество дизельного топлива должно быть таким, чтобы обеспечивалась надежная и бесперебойная его подача в камеру сгорания в соответствии с заданными характеристиками процесса. Топливо должно иметь оптимальные воспламеняемость и испаряемость, необходимые для осуществления надежного запуска и устойчивой работы во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы дизеля, обладать низкой коррозион-ностью и невысокой склонностью к осадкообразованию в системах топ-ливоподготовки, топливоподачи и газовыхлопа. Для обеспечения этих требований топливо, перед подачей его в камеру сгорания, должно проходить соответствующую обработку, которая осуществляется в топливных системах низкого давления. С целью экономии и снижения токсичных выбросов с выхлопными газами дизелей, начинают внедряться водотопливные эмульсии и газообразное топливо. Ранее считалось, что наличие воды в топливе представляет коррозионную опасность, прежде всего для топливной аппаратуры. Это подтверждалось и практикой эксплуатации, особенно, когда двигатели работали на дизельных сернистых топливах, для которых характерно присутствие меркаптановых соединений серы, вызывающих особенно интенсивную коррозию прецизионных пар насосов и форсунок при обводнении топлива. Вода сама по себе коррозионно активна, если соприкасается с незащищенными металлическими поверхностями. В тяжелых топливах находится большое количество асфальтосмолистых соединений, которые создают защитный слой вокруг всех глобул содержащейся в топливе воды, поэтому непосредственный контакт воды с металлическими поверхностями исключен. Исследованиями установлено, что введение воды в цилиндры дизеля оказывает положительное влияние на процесс сгорания, снижение токсичности выпуска и максимальной температуры сгорания, а также теплонапряженное состояние деталей цилиндропоршневой группы. Наиболее эффективный путь введения воды в цилиндры состоит в примешивании ее к топливу, с которым она специальными методами образует достаточно стабильную водотопливную эмульсию. В настоящее время уделяется большое внимание переводу работы судовых дизелей с жидкого на газообразное топливо. Особенно это экологически целесообразно для судов, перевозящих сжиженные газы. В этом случае система топливоподачи двигателя должна быть дооборудована газовой аппаратурой и предусмотрены соответствующие меры безопасности. Подготовка и подача любого топлива к дизелю осуществляются топливной системой низкого давления, которая подготавливает топливо с такими параметрами, обеспечивающими длительную и надежную работу дизеля на всех режимах. Для этой цели в системе предусматривается большое количество соответствующих устройств, аппаратов и приборов. В зависимости от вида используемого топлива меняется схема системы низкого давления. Однако, в большинстве случаев обязательным является следующее оборудование: емкости для хранения топлива, топливоподкачивающие и перекачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки и фильтрационные установки, сепараторы, подогреватели, регуляторы вязкости и др. На выбор комплектующего оборудования оказывает значительное влияние не только вид топлива, но и тип двигателя силовой установки. Впрыск топлива в цилиндры двигателя осуществляет топливная система высокого давления, основными элементами которой являются: топливный насос высокого давления и форсунка, соединенные между собой трубопроводом высокого давления. От работы этой системы в значительной мере зависят мощностные, эксплуатационные и экономические показатели дизеля. Развитие конструкции форсунок и топливных насосов высокого давления обусловлено требованиями, предъявляемыми к ним в связи с непрерывным совершенствованием дизелей. Поэтому повышается давление в топливных насосах и в момент впрыскивания топлива, уменьшается продолжительность и изменяется закон подачи топлива в цилиндре. Топливная аппаратура должна надежно работать в условиях эксплуатации и обеспечивать необходимые параметры топливоподачи. Обеспечение этих требований осуществляется правильной технической эксплуатацией. Однако эксплуатационные показатели ее элементов определяются не только техническим состоянием, но и конструктивными и производственными факторами. В настоящее время ужесточаются требования к токсичности выпускных газов дизелей. Принят ряд международных и отечественных стандартов по ограничению вредных выбросов. Экологические параметры дизелей во многом определяются видом топлива и работой систем топливоподачи низкого и высокого давления. Обеспечение необходимых экологических параметров требует конструктивных изменений топливной аппаратуры и эксплуатационного подхода. Однако и конструктивные изменения не всегда приводят к нужному результату, и тогда приходится применять мероприятия, даже идущие в ущерб экономичности дизеля. Совершенствование топливной аппаратуры, переход работы дизеля на альтернативные топлива и использование вторичных методов очистки выпускных газов, в случае необходимости, позволят обеспечить требования стандартов по токсичности и дымности дизелей. Учебник составлен коллективом преподавателей кафедры «ДВС» Брянского государственного технического университета и сотрудников ОАО «Брянский машиностроительный завод». Все главы написаны совместно. Авторы выражают благодарность сотрудникам центрального научно-исследовательского дизельного института и кафедры «Судовые ДВС и дизельные установки» Санкт-Петербургского морского технического университета за большой труд по рецензированию и обсуждению рукописи и высказавших ряд ценных предложений и замечаний: кандидатам технических наук, доцентам В. Т. Борду ко-ву, В. К. Румб, Г. В. Яковлеву. Глава 1 ТОПЛИВО И ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА 1.1. Принципы получения топлива В современных средне _ и малооборотных двигателях (СОД и МОД) в основном применяются жидкие топлива, получаемые путем переработки нефти. Сырая нефть является сложной смесью углеводородов, молекулы которых содержат от 1 до 100 и более атомов углерода. В нефть также входят в небольших количествах соединения серы, азота, кислорода и других элементов. Процесс переработки состоит (рис. 1.1) из атмосферной и вакуумной дистилляции, термического и каталитического крекингов. Атмосферная дистилляция или процесс прямой перегонки нефти -первичная ее переработка, заключающаяся в нагреве нефти в печи до температуры 320-330°С, где она переходит в газообразное состояние. Рис. 1.1. Комплексная атмосферно-
Продукты испарения поступают в ректификационную (дистилляцион-ную) колонну, где нефть разделяется при атмосферном давлении на фракции с различными пределами температуры кипения. Причем каждая фракция содержит присущие ей группы углеводородов, отличающихся как химической структурой, так и молекулярной массой. В верхней части ректификационной колонны температура держится на уровне 90°С, по мере опускания температурный градиент увеличивается, соответственно растут и температурные пределы отбираемых фракций. В случае прямой перегонки нефти из ректификационной колонны при температуре 30~200°С отбирается газ, химическое сырье, бензин, при 120~250°С - горючее для реактивных двигателей, при g. . 150~315°С - керосин, при 150^360°С вакуумная установка переработки нефти    г    г - дизельные топлива, легкии и тяжелый газойли. Неиспарившаяся часть нефти собирается в нижней части колонны, образуя остаток, который либо используют для приготовления тяжелых топлив, либо он поступает в вакуумную установку для последующей переработки. Дистилляция при вакууме позволяет понизить температурные пределы кипения фракции, что способствует дополнительному их выделению. В процессе вакуумной дистилляции в диапазоне температур 350~490оС отбираются фракции, идущие на приготовление базовых компонентов смазочных масел. Отбираемая из вакуумной колонны фракция с наиболее низким пределом кипения представляет собой тяжелый газойль, который может быть использован в качестве основного компонента при производстве тяжелых топлив (мазутов) либо направляется на вторичную, более глубокую обработку, в установки каталитического или термического крекинга. Слово «крекинг» от английского crack (расщепляться) обозначает ряд процессов термической деструкции углеводородов. В крекинг-процессах углеводороды, содержащиеся в тяжелом газойле или остатке, под действием высоких давлений (до 10 Мпа) и катализаторов “ каталитический крекинг, либо высоких температур (450~700°С) - термический крекинг (вибреакинг) - подвергаются химическим изменениям, сопровождающимся дроблением молекул с образованием легких углеводородов. В результате выход светлых нефтепродуктов увеличивается. Об эффективности вторичных процессов наглядно свидетельствуют рис. 1.2. и табл. 1.1, из которой видно, что выход бензина увеличился на 30%, дизельного топлива - на 8%, а количество остаточных нефтепродуктов, используемых для приготовления тяжелых топлив, снижается с 38 до 6%. В общем балансе тяжелых нефтяных топлив доля топлив, получаемых из остаточных продуктов вторичных процессов, непрерывно растет. Таблица 1.1 Выход нефтепродуктов Нефтепродукты Изменения в выходе нефтепродуктов, % в результате дистилляции дистилляции и вторичных процессов Газовые продукты Бензин Керосин Дизельные топлива Моторные (тяжелые) топлива Другие нефтепродукты Рис. 1.2. Роль процессов каталитического крекинга и вибреакинга в увеличении выхода легких нефтепродуктов: 1-газ, 11-бензины, Ill-дизельное топливо, IV-тяжелые компоненты, V-легкие компоненты, 1 - остаток атмосферной дистилляции, 2 - кокс: 3 ~ жидкий каталитический крекинг, 4 - вибреакинг При этом, в силу того, что остатки вторичных процессов есть результат трехкратной обработки (атмосферной, вакуумной и крекинга), а также, благодаря чрезвычайно жестким условиям протекания процессов крекинга и вибреакинга, их остаточный продукт приобретает вязкость около 700 мм2/с, и в нем сосредотачиваются тяжелые углеводороды со сложной циклической структурой - непредельные углеводороды, склонные к полимеризации и образованию асфальтосмолистых соединений, а также значительные количества серы и ванадия. 1.2. Требования к топливам Важнейшим эксплуатационно-техническим требованием к дизельным топливам является наличие высокой теплоты сгорания. Кроме того, при всех возможных условиях применения должны быть гарантированы: ♦    бесперебойная подача топлива из бака к топливной аппаратуре и от нее в цилиндры двигателя; ♦    надежное смесеобразование, то есть оптимальные вязкость, фракционный состав, плотность, поверхностное натяжение и давление насыщенных паров топлива; ♦    надежная воспламеняемость, мягкая работа двигателя, полное сгорание без образования сажи и особо токсичных и канцерогенных продуктов в отработанных газах; ♦    минимальное образование нагара в зоне распылителей форсунок и в камере сгорания; ♦    минимальная коррозионная активность; ♦    возможно большая физическая стабильность при длительном хранении и транспортировке; ♦    невысокая токсичность. Существует определенная закономерность: чем больше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше требования к топливам. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения уменьшается время, за которое должны произойти процессы смесеобразования и сгорания топлива. Для средне - и малооборотных двигателей (СОД и МОД) в основном используются тяжелые топлива, к которым предъявляются пониженные требования по вязкости и загрязнению по сравнению с топливами, используемыми в высокооборотных дизелях. Поэтому при применении тяжелых топлив необходимо использовать дополнительную систему топли-воподготовки, обеспечивающую очистку и подогрев топлива перед подачей в расходный бак. В последние годы наметилась тенденция к применению тяжелых топлив и на тепловозных дизелях, которые устанавливаются и на судах для привода генераторов. 1.3. Показатели эксплуатационных свойств дизельных топлив Эксплуатационные свойства топлив оцениваются показателями, характеризующими процессы подачи, смесеобразования, сгорания, а также способность вызывать нагарообразование и изнашивание в деталях дизеля. Основные показатели регламентируются ГОСТами на топливо. фракционный состав топлива Фракцией называют часть топлива, выкипающую в определенном диапазоне температур. Фракционный состав топлива характеризуется количеством в процентах по объему содержащихся в нем отдельных фракций и определяется путем перегонки топлива в специальном приборе (рис. 1.3). При перегонке фиксируют температуры начала кипения, перегонки 10, 50 и 90% количества топлива, а также конца кипения. Соответствующие температуры обозначают индексами Гнк, f10%, f50%, f90% и tKK. За температуру fHK принимают температуру пара, соответствующую падению в холодильник первой капли конденсата. За температуру £кк, для дизельных топлив принимают температуру 96% выкипания. После конца кипения остается невыкипевший остаток в колбе. Диапазон кипения дизельных топлив обычно - 150“360°С; для стационарных и судовых двига- Рис. 1.3. Схема прибора для определения фракционного состава топлив: 1 ~ термометр; 2 ~ колба; 3 ~ верхний кожух; 4 ~ исследуемое топливо; 5 - штатив; 6 ~ нижний кожух; 7-газовая горелка (может быть заменена электронагревателем); 8-водяная ванна холодильника; 9 ~ трубка холодильника; 10 ~ измерительный цилиндр на 100 мл телей используют более тяжелое топливо, выкипающее при температуре 230-360°С (газойль) или соляровые фракции с температурой перегонки 300~400°С (для СОД и МОД, имеющих систему подготовки топлива, используют более тяжелые топлива). Особый класс представляют собой топлива широкого фракционного состава (ТШФС), применение которых будет увеличиваться. Температура их кипения 60“350°С. Все температуры указаны при атмосферном давлении. Узкий фракционный состав дизельного топлива способствует равномерному испарению в период самовоспламенения и интенсивному развитию пламени в период горения топлива в цилиндре. Фракционный состав топлива влияет на условия пуска холодного двигателя. Чем ниже температурные пределы выкипания топлива, тем интенсивнее его испаряемость и тем быстрее создаются в цилиндре условия для самовоспламенения. В МОД время, отводимое на смесеобразование и горение, достаточно для полного сгорания топлива с широким фракционным составом, характерным для тяжелых сортов топлив. Поэтому температурные пределы кипения для этих топлив не регламентируются. Температура вспышки Это температура, при которой пары топлива, нагреваемые в строго определенных условиях, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении пламени. Она зависит от температуры кипения, испаряемости и упругости паров топлива и определяет его пожарную безопасность. Регистр РФ допускает использование на судах топлив, температура вспышки которых в закрытом тигле не ниже 61°С. Тяжелые остаточные топлива, в отличие от дизельного, обладают худшей испаряемостью, поэтому их температура вспышки выше (75~85°С). Однако это не означает их большую пожаробезопасность, так как в ряде случаев отмечается выделение из тяжелых топлив легких углеводородов, концентрирующихся в верхней части танка, композиция паров которых может обладать температурой вспышки, лежащей внутри зоны воспламеняемости. Этот процесс может происходить даже при температурах топлива в танке, находящихся ниже его температуры вспышки. Наиболее четкая тенденция к генерированию легких углеводородов отмечается у тяжелых топлив, полученных крекинг-процессами. В целях предотвращения воспламенения паров топлива необходимо, чтобы температурный режим во всех открытых (сообщенных с атмосферой) элементах топливной системы поддерживался на уровне, не превышающем температуру вспышки топлива минус 15°С. В закрытых топливных системах, находящихся под давлением, возможен подогрев топлив и до более высоких температур, превышающих температуру вспышки. Вентиляционные трубы танков должны быть чистыми и обеспечивать хорошую вентиляцию верхнего, незаполненного пространства. Пламега-сящие сетки и ловушки должны быть исправны и все источники воспламенения не должны находиться в зоне выхода вентиляционных труб. При заполнении пустых и не близких к этому состоянию танков, нужно убедиться в том, что подача пара на расположенные в них змеевики подогрева топлива, отключена. В противном случае возможен местный перегрев поступающего топлива с генерацией легких углеводородов и созданием в танке пожароопасной атмосферы. Температура воспламенения и самовоспламенения Температура воспламенения - это температура, при которой топливо воспламеняется и горит не менее 5 с в случае поднесения к нему открытого пламени. Температура самовоспламенения - это температура, при которой топливо воспламеняется без воздействия постороннего источника тепла. Эта величина зависит от фракционного состава топлива и давления воздуха, при повышении которого температура самовоспламенения понижается. Температура самовоспламенения в эксплуатации является одним из факторов, учитываемых при выборе марки топлива. Температура самовоспламенения находится в пределах у дизельного топлива 350~400оС. В дизелях температура воздуха в конце сжатия должна быть на 100~300°С выше температуры самовоспламенения, чтобы впрыснутое топливо самовоспламенилось. Цетановое число (ЦЧ) Цетановое число (ЦЧ) выражает содержание в процентах по объему цетана в смеси его с а-метилнафталином, эквивалентной по воспламеняемости данному топливу при испытании на стандартной установке и в стандартном режиме. В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных углеводорода - цетан (нормальный гексадекан С16Н24) и а-метил нафталин (ароматический углеводород СцНю). Цетан обладает высокой склонностью к самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его воспламеняемость условно принята за 100 ед., а-метилнафталин, наоборот, имеет большую задержку самовоспламенения, и его воспламеняемость принята за 0. Составляя смеси цетана и а-метилнафталина в объемных процентах, можно получить топливо с ЦЧ от 0 до 100. ЦЧ определяют методом совпадения вспышек Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69, основным агрегатом которых является одноцилиндровый пред-камерный дизель рабочим объемом 652 см3 и переменной степенью сжатия. В процессе испытаний добиваются, чтобы задержка воспламенения при работе на испытываемом и эталонном топливах была одинаковой (равной 13°). Цетановое число достаточно полно характеризует период задержки самовоспламенения, от которого зависит скорость нарастания давления в цилиндре, а следовательно, и жесткость работы дизеля. Чем выше ЦЧ, тем меньше период задержки самовоспламенения. Для нормальной мягкой работы дизеля скорость нарастания dp/ckр не должна превышать 0,5~0,7 МПа на 1° поворота коленчатого вала двигателя. При больших значениях dp/dy работа двигателя становится недопустимо жесткой. Внешне это проявляется стуками, повышенной вибрацией, ухудшением топливной экономичности. При малой задержке воспламенения основная масса впрыскиваемого топлива сгорает по мере поступления в камеру сгорания. В этих условиях процесс сгорания топлива зависит от закона подачи и, следовательно, может быть управляемым. При большой задержке воспламенения первые порции поданного топлива не воспламеняются, топливо накапливается в камере сгорания, а потом сразу сгорает в очень короткий промежуток времени, вызывая быстрое повышение давления, которое резко воздействует на поршень. Максимальное тепловыделение при этом начинается в период расширения, в результате чего топливная экономичность ухудшается, происходит неполное сгорание топлива, двигатель дымит. От цетанового числа зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже пусковые свойства. Чрезмерное увеличение ЦЧ, не согласованное с его испаряемостью, также нецелесообразно, так как при этом очаги рано воспламенившегося топлива встречаются с еще неиспа-рившимся неподготовленным топливом, что приводит к вялому, неполному сгоранию и, следовательно, к ухудшению топливной экономичности двигателя при одновременном увеличении дымности отработанных газов (ОГ). Цетановое число тяжелых топлив в среднем составляет 25 единиц, дистиллятных дизельных топлив - 50 единиц. Плотность топлива Плотность топлива является косвенной характеристикой его химических свойств и фракционного состава. Под плотностью понимается отношение массы топлива при 20°С к массе такого же объема пресной воды при 4°С (р^°). За рубежом плотность задается при температурах топлива и воды 15°С (р^)- Разница между р^° и р^ невелика. В эксплуатационных условиях плотность должна учитываться в следующих случаях: A.    При бункеровке для определения массы остатка топлива в цистерне, массовой вместимости принятого в цистерну топлива. Так как плотность топлива зависит от температуры, а в топливном паспорте эта величина дается при 20°С, то, производя бункеровку при различных температурных условиях и определяя количество топлива, следует уточнить его плотность для данных условий: PA = pf~Y- 20). где р^° - плотность топлива при 20°С; у- температурная поправка к плотности при изменении температуры топлива на ГС (табл. 1.2); f- температура топлива в момент определения его массы, °С; Б, При подборе регулировочной шайбы в сепараторе; B.    При замене рекомендованной для данного двигателя марки топлива другой, так как плотность влияет на дальнобойность топливного факела и ее изменение может отрицательно повлиять на условия смесеобразования и сгорания.    0 Таблица 1 2 Коэффициент температурной поправки к величине плотности топлива Плотность р, г/смЗ Коэффициент Y, 1/фЗД Плотность р, г/смЗ Коэффициент Y. 1/град Плотность р. г/см Коэффициент Y. 1/град 0,84-0.8499 0.89-0,8999 0,94-0,9499 0.85-0,8999 0,90-0,9099 0,95-0,9599 0,86-0,8699 0,91-0,9199 0,96-0,9699 0.87-0.8799 0,92-0,9299 0.97-0.9799 0,88-0,8879 0,93-0.9399 0,98-0.9899 Высококачественные парафинистые прямогонные дистилляты типа Gas Oil (дизельные Л) имеют плотность 830-860 кг/м3# в то время как плотность ароматических дистиллятных топлив 880-910 кг/м3. Крекинг-дистилляты имеют еще более высокую плотность, а если они получены из ароматических нефтей, то их плотность может достигать 1000 кг/м3. Плотность остаточных прямогонных топлив из парафинистых нефтей составляет 870-930 кг/м3, при высоком содержании асфальтосмолистых, составляющих плотность тяжелых остаточных топлив, возрастает до 950-970 кг/м3, крекинг-остатки могут иметь плотность 980-1030 кг/м3. Высокая плотность является свидетельством присутствия в топливе высокоароматизированных тяжелых асфальтосмолистых углеводородов, ухудшающих самовоспламеняемость топлив, увеличивающих продолжительность и неполноту сгорания, усиление нагарообразования. При плотности более 991 кг/м3 затрудняется сепарирование топлива. В связи с тем, что топливные насосы дозируют топливо по объему, масса подаваемого в цилиндр топлива будет зависеть от его плотности. Плотность топлива влияет на процесс смесеобразования и сгорания. При малой плотности уменьшается скорость движения частиц топлива в плотной среде сжатого воздуха, ухудшается процесс смесеобразования и не полностью используется объем воздуха в камере сгорания. При значительной плотности топлива дальнобойность факела повышается, часть топлива достигает стенки камеры сгорания, ухудшает процесс смесеобразования. В результате снижается экономичность работы дизеля и увеличивается дымность отработанных газов. Вязкость Вязкость - один из важнейших физических показателей дизельных топлив, определяющих качество распыливания, смесеобразования и сгорания топлива. С повышением вязкости дизельного топлива возрастают сопротивление системы топливоподачи, дальнобойность и размеры капель в факеле, уменьшается наполнение топливного насоса, ухудшается распыление и смесеобразование топлива с воздухом. В результате нарушается процесс горения, возрастает количество продуктов неполного сгорания топлива, увеличиваются нагороотложения на деталях, удельный расход топлива и коэффициент подачи топливного насоса. При использовании дизельных топлив с малой вязкостью увеличивается подтекание их через форсунки и насосы, уменьшаются коэффициент подачи и мощность двигателя. Мощность двигателя уменьшается не только вследствие снижения подачи, но и из-за уменьшения размеров и скорости движения распиливаемых частиц топлива. Вязкость топлива оценивается коэффициентом кинематической вязкости, который показывает величину внутреннего трения частиц жидкости, возникающего при их взаимном перемещении, и определяется с помощью U-образных вискозиметров по формуле: где с~ постоянная вискозиметра; т - время протекания жидкости через капилляр. Вязкость измеряется в стоксах. Стокс характеризует вязкость жидкости, плотность которой равна 1 г/см3; 1 Ст = 10_4м2/с. В отечественной практике для судовых дизелей вязкость принято измерять в градусах шкалы (°ВУ) или равнозначных им градусах Энглера (°Е), представляющих собой отношение времени истечения в стандартных условиях 200 мл испытуемого продукта при температуре испытания через калиброванное отверстие диаметром 2,8 мм к времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20°С. За рубежом вязкость оценивается в секундах Редвуда (с R1 при 100°F) или Сейболта (SU). Связь между различными единицами определяется выражениями: vK= 7,4ГВУ при vK > 75 мм2/с vK=0,22SU-180/SU vk=0,2I6SU при SU > 285 с vK= 0,247R1 при Rl > 75 с vK=7,4°E при Е > 10°. Зависимости между существующими единицами вязкости при различных температурах даны в табл. 1.3. При перекачивании температура топлива должна быть не менее чем на 15 - 20°С выше температуры застывания. Надежная работа топливной аппаратуры при использовании высоковязких топлив обеспечивается путем их подогрева для достижения вязкости в пределах 10—25 мм2/с (2~3,7°ВУ). Номограммы зависимости вязкости топлива от температуры подогрева показаны на рис. 1.4~1.6. Таблица 1.3 Перевод единиц вязкости (при одинаковой температуре) Х)к, мм2/с Х)к, мм2/с "24,3 2 Зак. 2160 На рис. 1.4 представлена диаграмма, рекомендуемая фирмой MAN-B&W (МАН - «Бурмейстер и Вайн») для определения температуры подогрева тяжелого топлива перед ТНВД в зависимости от необходимой вязкости и исходной вязкости (до нагрева). Во избежание быстрого загрязнения подогревателя топлива температура подогрева не должна быть выше 135°С в системе открытого типа; 150°С в системе закрытого типа. Не соответствующий сорту топлива подогрев (высокая вязкость) не только ухудшает процесс сгорания, но и может вызвать повышенный износ втулок цилиндров и компрессионных колец, разрушение седел выпускных клапанов, повышение давления впрыска и высокий уровень напряжений в топливной системе высокого давления. Для дистиллятных топлив вязкость лежит в пределах 2—10 мм2/с при 20°С. 45 55 сСт при 10СГС 700 сСт при 5(fC 7000 sec Rw/10CtF 100 180 800    1500 Вязкость топлива Рис. 1.4. Зависимость температуры подогрева тяжелого топлива от требуемой и исходной вязкости: t ~ температура после подогрева; v, с R1 ~ приблизительная вязкость после подогрева
Приблизительная вязкость после подогрева Температуры помутнения и застывания Температура помутнения - максимальная температура, при которой в топливе появляется фазовая неоднородность, топливо начинает мутнеть вследствие выделения микроскопических капелек воды, микрокристаллов льда или углеводородов. Применять топливо можно только до его помутнения. Температура застывания - температура, при которой топливо в ( тандартных условиях теряет подвижность (в наклонной под углом 45° пробирке уровень топлива остается неподвижным в течение 1 мин). За-|. гывание топлива связано с кристаллизацией растворенного в нем парафина. Поэтому температура застывания зависит от химического состава юплива. В эксплуатации температуру застывания учитывают при хранении юплива, выборе режима подогрева и перекачке топлива. Температура истывания отечественных топлив лежит в пределах от ~5 до 10°С, отдельные тяжелые топлива с высоким содержанием парафинов могут дости-i *.i гь 30°С. Механические примеси Механические примеси в топливах состоят из частиц органического и неорганического происхождения, находящихся в топливе в виде осад-к«1 или во взвешенном состоянии. Они засоряют фильтры, увеличивают -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 t, °С Рис. 1.5. Кривые зависимости вязкости топлива от температуры
. 4000 . 3000 ; зооо износ деталей топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы, поэтому механические примеси в дизельных топливах не допускаются, а в тяжелых топливах не должны превышать 0,1-0,2%, однако в действительности в бункерном топливе они могут быть в большем количестве. Эти примеси попадают из нефти в процессе ее переработки, а также при транспортировке и хранении топлива. Важно ограничить не только содержание примесей, но и размер их частиц, чтобы по возможности не выходили за пределы зазора в прецизионных элементах ТНВД и форсунок -10 0 10 20 30 40 50 60 70 I_I_I_I_I_I_I_I_I_I I I 1 I I_I I О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 Рис. 1.6. Номограмма вязкостно-температурных характеристик топлив (4~7 мкм). Это требование необходимо учитывать при очистке топлив в системах топливоподготовки. Содержание алюмосиликатов Содержание алюмосиликатов возможно в топливах, полученных методом каталитического крекинга. В этом процессе в качестве катализаторов используют соединения алюминия и кремния AL203 и SiO# попадающие в небольших количествах в крекинг-остатки при изготовлении тяжелых топлив. Технология процесса каталитического крекинга не исключает возможность прорыва катализатора в остаточный продукт, применяемый при изготовлении тяжелых топлив. В топливо попадает катализаторная пыль, частицы которой имеют размеры 10 мкм и менее. Плотность этих частиц соизмерима с плотностью топлива, что затрудняет их удаление из топлива путем отстаивания или центробежной сепарации. Каталитическая пыль обладает абразивными свойствами, и попадание ее в двигатель вызывает катастрофический износ топливной аппаратуры, втулок цилиндров, поршня и колец. Скорость изнашивания увеличивается в 100 раз и более. Контроль катализаторной пыли в топливе - проверка содержания в топливе алюминия и кремния, которое не должно превышать 80 млн1 (мг/кг). Содержание воды Для дистиллятных топлив допускаются лишь следы воды, для тяжелых топлив - до 0,3%. Зарубежные тяжелые топлива обычно содержат около 0,5% воды, международные стандарты допускают воду в количестве 1%, а отечественные - до 2%. Вода обычно попадает в топливо в процессах транспортирования и бункеровки. Поэтому необходимо отбирать пробу топлива в течение всей бункеровки и проверять ее на содержание воды сразу же по окончании бункеровки. На судне вода в топливо может попадать в значительных количествах при приеме топлива в танки, которые ранее использовались для балласта, чего следует избегать. Источниками воды могут являться также протекающие змеевики парового подогрева топлива и конденсат, образующийся в цистернах при больших колебаниях температуры. Вода является крайне нежелательным компонентом топлива, так как глобулы воды коагулируют вокруг себя асфальтосмолистые соединения топлива, способствуя их выпаданию в шлам. Наличие воды вызывает коррозию прецизионных пар ТНВД и форсунок, ухудшает распыливание топлива, понижает теплоту его сгорания. Вода относительно легко отделяется от дистиллятных топлив и уходит в отстой. Процесс очистки тяжелых топлив от воды протекает значительно сложнее, как в силу меньшей разности их плотностей и большой вязкости, так и вследствие того, что часто тяжелые топлива образуют с водой стойкие эмульсии. Для ускорения и улучшения отстаивания рекомендуется в отстойных цистернах поддерживать температуру 60-70°С, а сепарирование осуществлять в режиме пурификации при возможно меньшей подаче. В случае, если эмульсия очень стойкая и доступными мерами ее разрушить не удается, можно рекомендовать прогнать топливо насосами 2~3 раза по замкнутому контуру с тем, чтобы обеспечить более равномерный состав эмульсии с малыми размерами глобул воды, и использовать ее в качестве топлива для двигателя. Наиболее опасным является попадание в топливо морской воды, при наличии которой растет интенсивность электрохимической коррозии деталей топливной аппаратуры. Содержание кокса и асфальтенов Содержание кокса задается по значению коксового числа, определяемого в аппарате Конрадсона по сухому остатку (кокса) в пробе при ее нагревании до высоких температур без доступа воздуха. Коксовое число дистиллятных топлив обычно небольшое (не превышает 0,05%). Если оно выходит за 0,1%, это свидетельствует о присутствии в топливе остаточных фракций, поскольку последние имеют более высокое содержание углерода. Тяжелые топлива прямогонные и с парафиновой основой имеют коксовое число около 5%, а полученные из асфальтоароматических нефтей -10%. В тяжелых крекинг-топливах, в которых в остаточной фракции концентрируются углеводороды с высоким отношением С/Н, коксовое число может достигать 18~20%. При сжигании подобных топлив отмечается большое нагарообразование на поршнях в зоне поршневых колец и в выпускных окнах, особенно это относится к высокофорсированным двигателям. Одновременно наблюдается дымный выпуск. Во время окисления при высоких температурах большая часть смол сгорает, а наиболее тяжелые переходят в полутвердые или твердые высокомолекулярные соединения - асфальтены. Их плотность 1160 кг/м3, температура плавления 2000°С. В процессе сгорания асфальтены переходят в твердые вещества карбены и карбоиды, составляющие основу кокса и нагаров. Содержание асфальтенов в прямогонных остаточных парафиновых топливах относительно невелико (3~6%), а в топливах из асфальтоароматических нефтей - около 10%, в крекинг-топливах доходит до 12%. Асфальтены увеличивают период задержки самовоспламенения, сгорают очень медленно и часто не полностью, возрастает тенденция к дымлению, отложению нагара на деталях ЦПГ. Они увеличивают длину факела пламени и продолжительность процесса сгорания, тем самым увеличивая вероятность касания пламени днища поршня и стенок цилиндра, выгорания на них защитного слоя масла. Обладая вязкостью, ас-фальтены цементируют несгоревший углеводород и твердую золу, являясь фундаментом образования нагаров. Присутствие в топливах асфальтенов приводит к шламо - и осадкообразованию в танках и влияет на нестабильность и несовместимость топлив. Зольность, соли натрия и окислы ванадия Зольность - это содержание несгораемого остатка в процентах по массе, образующегося при сжигании испытуемого топлива и прокаливании « твердого остатка до постоянной массы. Предельные содержания золы: дизельные топлива    ~ 0,02%; моторные    - 0,08%; тяжелые топлива    - 0,3%. Присутствие в золе отдельных сортов тяжелых топлив соединения окислов ванадия (V205) и солей натрия (Na2S04, NaCl) являются наиболее агрессивными составляющими - они приводят к «горячей» коррозии деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), турбокомпрессора (ТК) и выпускных клапанов. Эти составляющие обладают низкой температурой плавления (~600°С) и при попадании на металлические поверхности с температурой выше 550~600°С прилипают к ним, вызывая закоксование клапанов, растрескивание их седел и прогорание клапана и седла. Высокотемпературная коррозия клапанов происходит тем интенсивнее, чем больше в топливе содержание ванадия и серы. Существенную роль играют соли натрия, попадающие в топливо обычно при его обводнении морской водой.-Сепарирование топлива с одновременной промывкой горячей водой позволяет в значительной мере снизить содержание натрия и тем самым уменьшить образование на-трий-ванадиевой золы с низкими температурами плавления. Другим фактором, повышающим срок службы клапанов, является понижение их рабочей температуры до 450-500°С, что достигается конструктивными мероприятиями. Положительную роль играют присадки к топливам, базовую основу которых составляют соединения магния и кальция, повышающие температуру плавления натрий-ванадиевой золы до 700“900°С, тем самым уменьшая отложения золы на клапанах. Дистиллятные топлива не содержат ванадия, и случаи прогорания клапанов более редки. Когда они имеют место, то природа их возникновения состоит в отложении на тарелке клапана солей сульфата кальция и бария (металлы непрореагировавшей щелочной присадки), образующих на ней очень твердый, с ровной поверхностью, стекловидный слой. Но при попадании под клапан твердых частиц кокса, которые при ударе клапана раскалывают стекловидный слой, в нем образуются трещины, переходящие в бороздки. В результате начинается прорыв газов, местный перегрев тарелки клапана с последующим его прогоранием. Низкотемпературная коррозия стержней клапанов возникает под воздействием натрий-бисульфата и соляной кислоты. Последние образуются из хлоридов натрия, попавших в топливо с морской водой, и серной кислоты. Эти соединения попадают вместе с продуктами сгорания в зазор между стержнем клапана и направляющей втулкой и конденсируются на них при переохлаждении направляющей втулки и стержня клапана. Минеральные кислоты очень агрессивны по отношению к металлам и разъедают даже хромовое покрытие стержня клапана. Мероприятия: поддерживать достаточно высокие температуры воды, охлаждающей направляющую втулку (или корпуса клапана); следить за зазором в направляющей втулке, не допуская его увеличения сверх нормы. Для изготовления седел выпускных клапанов следует подбирать материал, хорошо сопротивляющийся коррозии. Требуемая обработка топлива назначается в соответствии стой зоной графика Na-V (рис. 1.7), которой соответствует содержание этих элементов в топливе. Содержание серы Характеризуется наличием свободной серы или сернистых соединений. Сера способствует конденсации водяных паров продуктов сгорания, если их температура близка к точке росы. При сгорании топлива сернистые соединения превращаются в кислотные окислы: S + 02 = S02. Часть образовавшейся двуокиси переходит в серный ангидрид: 2S02 + 02 = 2S03. С увеличением коэффициента избытка воздуха, общего содержания в топливе серы и с повышением давления в цилиндре двигателя интенсивность образования S03 возрастает. Реакция окисления S02 и S03 значительно ускоряется в присутствии таких активных соединений, как окись железа Fe203 или пятиокись ванадия V205. Газообразный сернистый ангидрид, соединяясь с парами воды, всегда присутствующей в цилиндре, образует пары агрессивной серной кислоты: S03 + Н20 = H2S04. Конденсация чистых водяных паров, находящихся в газах, возможна при температуре 45~65°С, а при наличии S03 - при температуре 100-120°С. Зависимость температуры конденсации серной кислоты от содержания серы в топливе представлена на рис. 1.8. Повышенный износ деталей ЦПГ при работе двигателя на сернистом топливе обусловлен главным образом электрохимической кислотной коррозией. Пары серной кислоты конденсируются на зеркале втулки цилиндра в процессе расширения в цилиндре, образуя вместе с конденсатами водяных паров растворы серной кислоты. Интенсивность кислотной коррозии возрастает при обводнении топлива и нарушении режимов охлаждения цилиндров и наддувочного воздуха. В картерном пространстве сернистые соединения резко ухудшают качество смазочного масла. С увеличением содержания серы в топливе возрастает пропорционально износ поршневых колец и зеркала втулки цилиндра. При работе на сернистом топливе отмечается повышенный износ топливной аппаратуры. Окислы серы и несгоревшая сера включаются в отложения на выпускных клапанах, ускоряя выход их из строя, увеличивают риск образования отложений и коррозию сопел и лопаток турбокомпрессоров, значительно снижая их КПД. Натрий, 0/00 Ванадий, 0/00 Рис. 1. 7. Рекомендуемая предварительная обработка тяжелого топлива в зависимости от содержания натрия и ванадия: %о ~ промилле, 1%о = 10-3 = 0,1% Зона А - нормальная очистка сепаратором (с водяным сборником); зона В ~ одноразовая промывка без добавления присадок; зона С - двухразовая промывка без добавления присадок; зона D - нормальная очистка сепаратором с добавлением антиванадиевой присадки; зона Е - одноразовая промывка с добавлением антиванадиевой присадки; зона F ~ двухразовая промывка с добавлением антиванадиевой присадки; зона G - обработка на месте после выяснения процентного содержания натрия и ванадия В судовых топливах содержание серы неуклонно повышается и в среднем достигает 3%, международной спецификацией на топливо допускается поставка топлива с S = 5%. В то же время экологические проблемы заставляют ввести ограничения на содержание серы в судовых топливах. Снижение содержания серы в судовых топливах сопряжено со значительным увеличением стоимости топлива. 110
Рг= 10 МПа 12    3    4 Содержание серы, % по массе
Рис. 1.8. Зависимость температуры конденсации паров серной кислоты от содержания серы в топливе при различных Рг (при условии превращения 2,5% S02 в S03 и содержания 5% водяных паров в соотношении воздуха к топливу 35:1), Рг -давление газов в цилиндре
Мероприятия: ♦    повышение температуры зеркала втулки цилиндра путем охлаждения только ее верхней части, что поз воляет уменьшить вероятность конденсации паров серной кислоты; ♦    автоматическое регулирование температуры охлаждающей воды. При снижении нагрузки двигателя повышается температура охлаждающей воды. Фактические смолы Фактические смолы - сложные продукты окисления, полимеризации и конденсации углеводородов, содержащиеся в топливе и образующиеся в нем в условиях испытаний. Смолы в топливе являются вредными примесями, так как их присутствие увеличивает нагар и закоксование колец. Содержание фактических смол выражают в миллиграммах на 100 мл топлива; оно определяется выпариванием испытуемого в струе горячего воздуха или водяного пара с последующим взвешиванием образовавшихся смол. В топливе содержание смол строго ограничивается стандартами. Кислотность Характеризует содержание в топливе органических кислот, образующихся в результате окисления топлива кислородом воздуха. Наличие в топливе органических кислот в допустимых пределах не представляет большой опасности, поэтому такие кислоты принято называть слабыми. Однако повышенная кислотность способствует коррозии элементов топливной аппаратуры и деталей ЦПГ. Кислотность характеризуется косвенным показателем - количеством щелочи, необходимой для нейтрализации содержащейся в топливе кислоты. Кислотность дизельных топлив не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива. В тяжелых топливах кислотность стандартом не регламентируется. Кислоты минерального происхождения и в дистиллятных, и в тяжелых топливах не допускаются, так как, хорошо растворяясь в воде, эти кислоты диссоциируют на ионы и вызывают наиболее интенсивную электрохимическую коррозию. Водорастворимые минеральные кислоты принято называть сильными. Теплота сгорания Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м3 топлива), называется теплотой сгорания. В международной системе единиц за единицу количества теплоты принят джоуль (Дж). Ранее было принято теплоту сгорания выражать в килокалориях на килограмм (ккал/кг; 1 ккал — 4,187 кДж). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении низшей теплоты сгорания QH, как известно, не учитывается теплота, возвращаемая при конденсации влаги топлива и влаги, полученной при сжигании водорода топлива. Этим объясняется то, что в практических расчетах используется низшая теплота сгорания. Удобной для практических целей является эмпирическая формула определения QH: QH = (46,7 - 8,8 ■ 10 6 р* + 3,17 • 10 3 рв ) ■ [1 - (х + у+ 5)] + 9,425 - 2,45х где р15 _ плотность топлива при 15°С, кг/м3; х, у, 5~ массовые содержания воды, золы и серы,%/100. Величина QH может быть установлена также по номограмме. Теплота сгорания нефтяных топлив, как правило, в пределах 39200-43300 кДж/кг (рис. 1.9) и с увеличением плотности, содержания воды, серы и золы уменьшается. Наибольшим значением QH обладают парафиновые углеводороды, а наименьшим - ароматические, поэтому парафиновые топлива характеризуются высокими значениями QH, а топлива с высокой плотностью и большим содержанием ароматики имеют низкие ее значения. Теплота сгорания топлива является важным фактором, и ее нужно учитывать при заказе топлива (для определения QH используют вышеприведенную формулу), так как оплачивая стоимость топлива, оплачивают не принятую на борт массу, а количество тепловой энергии, которую при сжигании этого топлива можно получить. 1.4. Присадки к топливам Для улучшения свойств топлив к ним добавляются присадки, воздействующие на химические и физические процессы, происходящие в топливе. Универсальных присадок, улучшающих в одинаковой степени различные эксплуатационные свойства, не существует. При необходимости вводят в топливо следующие присадки: 1.    Депрессионные присадки, понижающие температуру застывания топлива: ♦    для дизельных топлив - «Парадин-20», «Парадин-25»; ♦    для мазута и других остаточных топлив: А110Х, А504Х, А804Х. Эти присадки выпускаются в растворе толуола и вводятся в концентрации 0,02-0,1%, что снижает температуру застывания топлива на 20”30°С, причем улучшается фильтруемость топлива при температуре ниже температуры помутнения. 2.    Чтобы предотвратить образование в топливе кристаллов льда из воды при низких температурах, применяют спирты, гликоли, амины, формамиды и их производные, которые растворяют воду и образуют Относительная плотность р,5 Рис. 1.9. Теплота сгорания топлива: 1 ~ жидкий водород; 2 ~ аммоний; 3 ~ метанол; 4 - гидразин; 5 ~ газойль; б - дизельное топливо; 7 - тяжелое топливо; 8 - массовая суспензия угля (нефтяное топливо); 9 - тяжелое топливо с ней смеси, замерзающие при низкой температуре. Поверхностно-активные присадки образуют защитную оболочку на частицах льда, что препятствует их объединению друг с другом. Эти присадки выполняют одновременно функции моющих присадок - смывают отложения в системах топливоподачи. 3.    Присадки, улучшающие воспламеняемость дизельных топлив: ♦    алкилнитраты RCH2ON02, RCH2OHOf ♦    перекисные соединения RCH2OOH, ♦    альдегиды RCHO, кетоны RCOR и др. 4.    Повышение цетанового числа топлива на 15~20 единиц достигается добавкой 1,5~2% присадки. Присадки снижают стабильность топлива при хранении, при этом ЦЧ топлива уменьшается (ЦЧ за б мес. хранения снижается на одну-две единицы). 5.    Присадки для повышения полноты сгорания улучшают сгорание тяжелых сортов топлив, что уменьшает отложения в дизеле, уменьшает загрязнение окружающей среды. 6.    Многофункциональные присадки ВНИИНП-101, ВНИИНП-111 рекомендуются для дизельного топлива с содержанием серы более 0,5%; ВНИИНП-101 добавляют также к сернистым тяжелым топливам. Недостаток этих присадок - склонность к выпадению в осадок при длительном хранении, в связи с чем их приходится вводить непосредственно на судне, что связано с определенными трудностями. 7.    Антиокислительные и диспергирующие присадки к дизельным и тяжелым сортам топлив добавляются в качестве составной части многофункциональных стабилизирующих присадок. Такие присадки содержат диактиваторы металлов и диспергента. Например, зарубежная присадка - антиокислитель для дизельных топлив «Ethyl-703» или «Ду Понт ФОА-3» (США) - смесь органических аминов. 8.    Для стабилизации топлив и предотвращения образования в них осадков при хранении и применении используют стабилизаторы (дис-пергенты) - различные зольные присадки (нефтяные сульфонаты различных металлов, прежде всего бария) и беззольные (полярные полимеры и алкиламины). Полярные полимеры добавляют в концентрации 0,005“0,010%. Наряду со способностью предотвращать образование осадков полимеры устраняют несовместимость топлив и зависание игл распылителей форсунок, возникающие в результате образования в них лаков и осадков при высоких температурах. Основные виды антиокислителей: 24М6В, 26ВУМ, БАФ, ПОД ФА, ФДА, УСА -угольная смола, ДСА -древесная смола, а-нафтал. 9.    Противокоррозионные присадки применяются с целью нейтрализации коррозионного действия на топливную аппаратуру сернистых топлив при повышенных температурах и предотвращения образования агрессивных продуктов окисления углеводородов и сернистых соединений - аминов, амино-сульфидов и полимерных диспергентов. 10 Присадки для борьбы с ванадиевой коррозией используют гидроокись магния Мд(ОН)2 и гидроокись алюминия AI (ОН)3 в виде коллоидной дисперсии в масле. В топливо, содержащее 0,0002% ванадия и менее, присадки, как правило, не добавляют. 11. Присадка ПМАМ-у, улучшающая термоокислительную устойчивость дизельных топлив, помогает избежать образования лаков, углеродистых отложений, нагаров различной степени карбонизации (обогащения углеродом) игл и распылителей форсунок, деталей ЦПГ, температура которых достигает 200~250°С. В топливо при химико-динамической обработке вводят многофункциональную композицию присадок, затем производят гидродинамическое возмущение смеси топливной среды. Такая обработка обеспечивает равномерное распределение в топливной среде композиции присадок, что создает необходимые условия для выполнения композицией ее функций. При выборе композиции присадок особое внимание следует уделять ее совместимости с применяемым для смазывания деталей ЦПГ маслом. Непременным условием для правильного выбора композиции присадок к топливу является меньшая, чем у композиции присадок к маслу, поверхностная активность. Такое требование к выбору композиции присадок для топлив обосновано следующим. В процессе впрыскивания топлива отдельные ее глобулы, имеющие увеличенные размеры, могут попадать на зеркало втулки цилиндра. Если поверхностно-активные свойства содержащейся в топливе композиции присадок будут выше таковых у композиции присадок к маслу, на отдельных участках может произойти замещение масляной пленки топливной, вследствие чего возникает усиленное изнашивание трущихся поверхностей, если не будут превышать, то указанного нарушения пленки и усиленного изнашивания поверхностей деталей ЦПГ не будет. Таким образом, поверхностно-активные свойства композиции присадок.к топливу должны быть выше, чем у смол топлива, и ниже, чем у композиции присадок к маслу. 1.5. Стабильность и совместимость топлив Под стабильностью топлива понимают его способность противостоять образованию осадков, шламоотделению и расслаиванию при хранении и использовании (что сопряжено с его перекачиванием и нагревом). Склонность к осадкообразованию главным образом проявляют тяжелые остаточные топлива, крекинг-мазуты. Содержащиеся в них асфальтены, карбены и карбоиды выполняют функцию центров коагуляции высокомолекулярных соединений. Асфальтосмолистые вещества забивают фильтры, сепараторы, нарушают работу всей системы топливоподачи. Иногда центром коагуляции могут стать кристаллы твердого парафина, выпадающие из парафинистого топлива при его охлаждении. Нарушению стабильности, росту скорости осадкообразования способствуют нагрев, обводнение топлива (коагуляция происходит вокруг глобул воды) или смешивание с другими сортами, если они оказываются несовместимыми по отношению к данному топливу. Смешиваемые топлива чаще являются совместимыми. В этом случае стабильность смеси топлив не нарушается и интенсивного осадкообразования не происходит. Чтобы понять сущность несовместимости, напомним, что нефтяные топлива представляют собой сложную органическую смесь, главным образом состоящую из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Топлива, содержащие только перечисленные углеводороды (а это в основном дистиллятные нефтепродукты), образуют стабильные смеси, близкие по растворимости к идеальным. Тяжелые топлива, получаемые смешиванием остаточных продуктов с дистиллятными фракциями, помимо перечисленных групп углеводородов содержат значительные количества высокомолекулярных соединений - асфальтеносмо-листых веществ, состоящих из нейтральных смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов. Эти вещества не растворяются в основной массе более легких углеводородов, поэтому остаточные топлива в отличие от дистиллятных не являются однородными, а представляют собой коллоидную систему, состоящую из однородной среды углеводородов с относительно небольшим отношением С/Н, в которой диспергированы крупные и мелкие скопления асфальтосмолистых соединений (рис. 1.10). Центрами скоплений являются асфальтены - сложные соединения, обладающие высокой молекулярной массой, большим отношением С/Н составляющих из углеводородов. В них могут входить также в небольших количествах сера, кислород, азот. Молекулы асфальтенов благодаря своей полярности образуют ассоциаты - ядра мицелл (центр скоплений - асфальтены), состоящие из 3~5 молекул и окруженные оболочками из растворенных в топливе смол, характеризующихся меньшим отношением С/Н. Наружный слой представляют ароматические углеводороды, обладающие поверхностной активностью, поэтому легко адсорбирующиеся на мицеллах; их отношение С/Н близко к однородной фазе. Образующиеся вокруг асфальтенов оболочки предотвращают слипание и объединение мицелл и выпадение их в осадок. Более того, полярные силы ароматики способствуют появлению расклинивающего эффекта, отбрасывающего мицеллы друг от друга и тем самым удерживающего коллоидную систему в мелкодисперсном состоянии. Рис. IЮ. Структура тяжелого остаточного топлива: 1 -ядро; 2 ~ оболочки; 3 ~ наружный слой
Смешивание с высокоароматизированными топливами не нарушает стабильности смеси, более того, отмечаемое увеличение толщины оболочек делает смесь устойчивее к шламообразованию. Подобная смесь топлив является совместимой. Когда же остаточное топливо смешивается с топливом, содержащим парафиновые соединения с малой молекулярной массой (низким отношением С/Н), которая играет роль растворителя, защитные кольца растворяются, происходит объединение и укрупнение асфальтеновых ассо-циатов, и они выпадают в осадок, представляющий собой мазеподобное вещество черного или коричневого цвета. В этом случае принято говорить, что смешиваемые топлива несовместимы. Отмеченное падение стабильности смеси происходит вследствие уменьшения отношения С/Н окружающей мицеллы однородной фазы, результатом чего является нарушение равновесного состояния между наружной оболочкой мицелл и окружающей их фазой. Явление несовместимости может быть предотвращено, если при смешивании уменьшить долю маловязкого парафинисто-го компонента. Нарушение равновесия смеси может быть также вызвано нагревом, способствующим растворению смол. Отрицательно влияет на стабильность увеличение количества асфальтенов, особенно интенсивное при нагреве топлива до 300~350°С (например, в электроподогревателе при контакте топлива с греющими элементами температура последних не должна превышать 180°С). Общее правило: в целях исключения отрицательных явлений несовместимости топлив при их смешивании на борту судна рекомендуется не допускать смешивания остаточных топлив (с высоким содержанием асфальтенов) с более легкими парафиносодержащими сортами, а также между собой, если они имеют различное происхождение (относятся к различным бункеровкам). Перед смешиванием желательна проверка топлив на совместимость. Однако в практике эксплуатации судовой энергетической установки (СЭУ) иногда приходится прибегать к смешиванию топлив, поэтому желательно предварительно проверить находящиеся на судне топлива на совместимость. Метод «пятна» - наиболее простой и доступный для использования на судах, заключается в том, что равные количества смешиваемых компонентов (обычно это дистиллятное и остаточное топлива) наливают в сосуд и интенсивно встряхивают в течение 10 с для получения однородной смеси. Затем сосуд со смесью нагревают в водяной бане до температуры 60“63°С и выдерживают 15~20 минут. По окончании нагрева смесь еще раз перемешивают пластмассовой палочкой и ею же наносят пятно на специальную фильтровальную бумагу. После высыхания пятно сравнива -ют с пятью эталонными пятнами (рис. 1.11). Рис. 1.11. Эталонные пятна смесей топлива для определения их совместимости Эталонное пятно «а» по всей поверхности имеет однородную окраску, пятно «б» “ слабоокрашенное, внутреннее темное кольцо. Пятна «е-д» характеризуются более прогрессивным разделением двух компонентов: темное внутреннее кольцо и светлое внешнее; наличие темного кольца указывает на присутствие нерастворимых асфальтенов и осадка. Пятно «а» свидетельствует о полной совместимости смешиваемых топлив, пятно «б» - о возможном появлении осложнений, связанных с несовместимостью; пятно «б» находится в пределах допустимого. Более точные результаты дает проверка на общее содержание осадка, но реализуется она только в лаборатории и заключается в горячей фильтрации топлива. Предварительно проба топлива подвергается старению путем выдерживания ее в течение 24 ч при температуре 100°С, в ходе которого из топлива интенсивно выпадают в осадок находившиеся в нем асфальтены. После пропускания топлива через фильтр все не растворимые в нем компоненты задерживаются фильтром, затем их взвешивают. Результат выражается в процентах: в дистиллятных топливах осадок должен отсутствовать, а в остальных топливах - не превышать 0,1%, в дизельных топливах допускается 0,05%. Топливо, имеющее осадок более 0,1 %, не рекомендуется к смешиванию. 1.6. Характеристики топлив Топлива, применяемые на судах, подразделяются на два класса: дис-тиллятные и тяжелые. Дистиллятные топлива Дистиллятные топлива - это дизельные сорта, выпускаемые по ГОСТ 305-82. Они не требуют подогрева и применяются в СОД и МОД на В Зак. 2160 режимах маневрирования и пуска, а также для промывки системы топливоподачи перед длительной остановкой во избежание застывания в ней топлива. В общем балансе потребления топлива на судах расход дизельного топлива составляет 6~12%. В зависимости от условий применения устанавливаются три марки дизельного топлива: Л (летнее) - рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0°С и выше; 3 (зимнее] - рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 20° и ниже (температура застывания топлива не ниже минус 35°С) и минус 30°С и ниже (температура застывания топлива не ниже минус 45°С); А (арктическое) - рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 50°С и ниже. По содержанию серы дизельные топлива подразделяются на два вида: I    - массовая доля серы не более 0,2%; II    - массовая доля серы не более 0,5% (для марки А не более В условное обозначение топлива марки Л должны входить массовая доля серы и температура вспышки, топлива марки 3 - массовая доля серы и температура застывания, топлива марки А - массовая доля серы. Примеры условного обозначения: Топливо летнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой вспышки 40°С: Топливо дизельное Л-0,2-40 ГОСТ 305-82. Топливо зимнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой застывания минус 35°С:
Топливо дизельное 3~0,2 -35 ГОСТ 305-82.
Топливо арктическое с массовой долей серы 0,4%:
Топливо дизельное А-0,4 ГОСТ 305-82.
По физико-химическим показателям топлива должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 1.4.
К группе дистиллятных топлив относится и газотурбинное топливо, получаемое в качестве побочного продукта в процессах замедленного коксования при выработке нефтяного кокса.
Газотурбинное топливо используют в качестве заменителя дизельного топлива на судах морского и речного флота. Выпускают две марки таких топлив ТГ - обычное и ТГВК - высшей категории качества (ГОСТ 10433-75), которые отличаются высокой плотностью и вязкостью (табл. 1.5), но не настолько высокой, чтобы их нужно было подогревать перед использованием. Для этих топлив характерно более высокое со-
Таблица 1.4 Физико-химические показатели дизельных топлив
Наименование показателя
Норма для марки
Метод
испытания
Цетановое число, не менее
По ГОСТ 3122-67
Фракционный состав:
50% перегоняется при темпе -
ратуре, «С, не выше
96% перегоняется при темпе -
ратуре (конец перегонки).
°С, не выше
По ГОСТ 2177-99
Кинематическая вязкость
при 20°С, мм2/с, (сСт)
По ГОСТ 33-82
Температура застывания, СС, не выше, для климатической зоны:
умеренной
ПоГОСТ 20287-91
холодной
с дополнением по п. 5.2 настоящего стандарта
Температура помутнения, °С, не выше, для климатической зоны:
умеренной
По ГОСТ 5066-91
холодной
(второй метод)
Температура вспышки, опре -деляемая в закрытом тигле,
°С, не ниже:
для тепловозных и судовых
дизелей и газовых турбин
для дизелей общего назна -
По ГОСТ 6356-75
чения
Массовая доля серы, %,
не более:
По ГОСТ 19121-73
Массовая доля меркаптано -
вой серы, %, не более
| По ГОСТ 17323-71
Содержание сероводорода
Отсутствие
По ГОСТ 17323-71
Испытание на медной плас
тинке
Выдерживает
ПоГОСТ6321-92
Содержание водораствори -
мых кислот и щелочей
Отсутствие
1 По ГОСТ 6307-75
Конструкция фактических смол, мг на 100 см^ топлива,
не более
По ГОСТ 8489-85
Кислотность, мг на 100 см3 топлива, не более
Йодное число, г на 100 г топлива, не более
Зольность, %, не более
Коксуемость 10%-ного остатка, % не более
Коэффициент фильтруе -
мости, не более
Содержание механических
гсутствие
примесей Содержание воды Плотность при кг/м3, не более
Предельная температура фильтруемости, °С, не выше
Таблица 1.5 Основные показатели качества газотурбинных топлив
Показатель
Марка
Условная вязкость при 50°С, °ВУ, не более
Низшая теплота сгорания, кДж/кг, не менее
Зольность, %, не более
Содержание ванадия, %, не более
Содержание серы, %, не более
Коксуемость, %, не более
Содержание водорастворимых кислот и щелочей
Отсутствует
Содержание воды, % , не более
Температура застывания, °С, не более
Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более
держание серы (1 и 2,5% соответственно) и, на что должно быть обращено внимание, в них содержится до 25% смолистых веществ. Это обусловливает их низкую стабильность, проявляющуюся при нагревании и смешивании с другими топливами.
По ГОСТ 5985-79
По ГОСТ 2070-82 По ГОСТ 1461-75
По ГОСТ 19932-99
По ГОСТ 19006-73
По ГОСТ 6370-83 По ГОСТ 2477-65
По ГОСТ 3900-85
Окончание таблицы 1.4
Малая вязкость и низкая стоимость газотурбинного топлива позволяют использовать его вместо дизельного в МОД на маневрах и в СОД “ на всех режимах. Тяжелые топлива Основным критерием для классификации тяжелых топлив является вязкость, в зависимости от которой топлива можно разделить на средне- и высоковязкие. К топливам средней вязкости относятся: ♦    моторное топливо ДТ (ГОСТ 1 667-68), получаемое смешиванием мазута с дистиллятами вторичных процессов - каталитическим, крекинг-керосином и др.; ♦    флотские мазуты Ф5 и Ф12 (ГОСТ 1667 68) обычно состоят из 60“70%маловязкого мазута прямой перегонки, 15-20% черного солярового масла и20~30% крекинг-мазута. Более высокая вязкость и более низкое качество по сравнению с дизельным топливом требуют предварительного подогрева и более тщательной очистки моторного топлива перед подачей в цилиндры. Физико-технические показатели моторных топлив и мазута представлены в таб. 1.6. и 1.7. Высоковязкие топлива: мазут топочный, марок 40, 40В; моторное топливо марки ДМ; флотский мазут, марки Ф12; экспортные мазуты, марок МО,9; М1,5; М2,0. Основным в этой группе является моторное топливо ДМ, предназначенное специально для судовых крейцкопфных и трон-ковых дизелей. В этой же группе рекомендован к применению мазут марок 40 и 40В в качестве топлива для дизелей СОД и МОД, оснащенных специальными системами топливоподготовки с химической обработкой (вводом присадок), гомогенизацией и комплексной очисткой топлива. Обе марки ДТ и ДМ занимают по показателям вязкости среднее положение между дизельными топливами и мазутом 40. По таким показателям, как содержание серы, зольность и температура застывания, топливо марки ДМ существенно отличается от топочного мазута, что делает возможным его применение в СДУ с системами топливоподготовки, укомплектованными средствами очистки. Плотность топлив ДТ и ДМ ограничена соответственно 0,92 и 0,97 г/см3 с целью обеспечения необходимой очистки в процессе отстаивания и сепарирования. В целях мобильности бункеровки судов и расширения доли потребления наиболее экономичных марок топлив рекомендованы следующие топливные смеси: мазут марок 40 и 40В и дизельные топлива марки Л или 3 с содержанием последних не более 30% для судов с системами топливоподготовки, обеспечивающими применение топлива ДМ или ДТ; экспортные мазуты марок МО,9; М1,5 или М2,0 и дизельные топлива марок Л, А или 3 для судов с системами топливоподготовки, обеспечивающими применение топлива ДТ. Моторные топлива Норма для марки Наименование показателя ДТ высший сорт ОКП 02 5221 0101 для малосернистого топлива ОКП 02 5221 013 для сернистого топлива ДТ первый сорт ОКП 025221 0102 для малосернистого топлива ОКП 02 5221 0104 для сернистого топлива ДМ ОКП 025221 0105 для сернистого топлива Метод испытания Плотность при 20°С, г/см3, не более ГОСТ 3900-85 Фракционный состав: до 250°С перегоняется-, %, не более ГОСТ 2177-99 Вязкость при 50°С: а) кинематическая, мм2/с (сСт), не более 20 106 (20) 36-106 (36) 130-106 (130) ГОСТ 33-82 б) соответствующая ей условная в градусах, не более ГОСТ 6258-85 Коксуемость, %, не более ГОСТ 19932-99 Зольность, %, не более ГОСТ 1461-75 Массовая доля серы, %, не более: а) в малосернистом топливе ГОСТ 1431-85 или б) в сернистом топливе ГОСТ 1437-75 Окончание таблицы 1.6 Содержание сероводорода Отсутствие ГОСТ 17323-71 Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствие ГОСТ 6307-75 Массовая доля механических примесей, %, не более ГОСТ 6370-83 Массовая доля воды, %, не более ГОСТ 2477-65 Температура вспышки, определя - емая в закрытом тигле, °С, не ниже ГОСТ 6356-75 Температура застывания, °С, не выше ГОСТ 20287-91 Массовая доля ванадия, %, не более ГОСТ 10364-90 Примечания: 00
1.    В топливе для среднеоборотных и малооборотных дизелей, транспортировавшемся морскими или речными судами, допускается содержание воды не более 2%. 2.    Допускается поставка потребителям топлива марки ДТ в период с мая по сентябрь в южных районах с температурой застывания не выше Ю°С. 3.    Допускается поставка топлива марки ДТ, вырабатываемого из сернистых нефтей с содержанием серы не более 2% и коксуемостью не более 4%. 4.    Допускается поставка потребителям, кроме организаций Министерства морского флота, топлива марки ДМ с температурой застывания не выше 20 °С. 5.    Норма по показателю «Температура застывания» гарантируется предприятием-изготовителем в течение одного месяца со дня выпуска продукта. 6.    Марка топлива указывается в заказе. 7.    На моторное топливо марки ДТ с государственным знаком качества примечания 2иЗ не распространяются. 8.    При применении в дизелях моторного топлива с содержанием серы более 0,5% одновременно должно применяться дизельное (моторное) масло с соответствующими присадками. Мазуты Наименование показателя Норма для марки Метод испытания Вязкость при 50°С, не более: условная, градусы, ВУ По ГОСТ 6258-85 соответствующая ей кинематическая, Зб,2-10-6 По ГОСТ 33-82 м2/с(сСт) (приложение 3) Вязкость при 80°С, не более: условная, градусы, ВУ ПоГОСТ 6258-85 соответствующая ей кинематическая. 118,0-10-6 По ГОСТ 33-82 м2/с (сСт) (приложение 3) Вязкость динамическая при 0°С, По ГОСТ 1929-87 Па-с (П), не более Зольность, %, не более, для мазута: По ГОСТ 1461-75 малозольного зольного Массовая доля механических примесей, %, не более По ГОСТ 6370-83 Массовая доля воды, %, не более По ГОСТ 2477-65 Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствует ПоГОСТ 6307-75 Окончание таблицы 1.7 Массовая доля серы, %, не более, для мазута: По п. 4.4 низкосернистого малосернистого сернистого высокосернистого Коксуемость, %, не более По ГОСТ 19932-74 Содержание сероводорода Отсутствие По п. 4.2 Температура вспышки, °С, не ниже: в закрытом тигле По ГОСТ 6356-75 в открытом тигле По ГОСТ 4333-87 Температура застывания, °С, По ГОСТ 20287-91 не выше для мазута из высокопарафинистых нефтей Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо (не браковочная) кДж/кг(ккал/кг), не менее для мазута: низкосен рн истого По ГОСТ 21261-91 малосернистого и сернистого высокосернистого
Плотность при 20°С, кг/м3, не более
По ГОСТ3900-85
Глава ?. Топливо и его эксплуатационные свойства ? Гпава i Топливо и его эксплуатационные свойства

Использование тяжелых топлив, в том числе мазутов, целесообразно в средне ~ и малооборотных дизелях. В ЦНИДИ были проведены исследования по применению в дизелях тяжелых топлив. Работы выполнялись на дизелях ЧН25/34, ЧН26/34, ЧН36/40, ЧН36/45 и др. В частности, широкие исследования рабочего процесса проводились на одноцилиндровом отсеке среднеоборотного дизеля ЧН26/34, форсированного по среднему эффективному давлению выше 2 МПа на следующих топливах: дизельное ДЛ - плотность при 20°С 0,836 г/см3 и вязкости 3~4 мм2/с; моторное ДТ - плотность при 20°С 0,895 г/см3 и вязкости при 50°С 17 мм2/с; мазут экспортный М2 - соответственно 0,992 и 47,3; мазут топочный 100В1 - соответственно 0,939 и 161,3-Двигатель 1ЧН26/34 испытывался с предварительно доведенным рабочим процессом на дизельном топливе при неизменной комплектации и регулировках. j-—1_I__i 7    8    9    л, С'1 Рис. 1.12. Изменение переметров двигателя 1ЧН26/34 при работе по винтовой характеристике:
Топлива с целью снижения вязкости подогревались до температуры 90-95°С, поэтому их реальная вязкость в исследованиях составляла: ДЛ - 1,5 мм2/с; ДТ -8 мм2/с; М2 -15 мм2/си 100В - 32 мм2/с. Результаты испытания двигателя по винтовой характеристике приведены на рис. 1.12, из которого следует сравнительное изменение показателей рабочего процесса при использовании тяжелых топлив (повышаются удельный расход топлива и температура отработанных газов, снижаются средняя скорость нарастания давления и максимальное давле- - - 100 В; X - М-2; А -ДТ;П~ДЛ
ние сгорания). Различия в показателях возрастают с увеличением вязкости топлива. Исследования позволили сделать следующие выводы: 1.    Подтверждена принципиальная возможность применения в отечественных среднеоборотных дизелях с частотой вращения до 1СМ2,5 с"1 и форсированных по среднему эффективному давлению до 2 МПа тяжелых топлив с вязкостью до 160-180 мм2/с и выше. Отрицательное влияние свойств тяжелого топлива на показатели рабочего процесса двигателя усугубляется по мере увеличения его вязкости. 2.    При использовании в дизелях типа ЧН26/34 мазута 100В с вязкое-тью161 мм2/с вместо дизельного топлива (при неизменных регулировках) максимальное давление впрыска увеличивается на 10—15%, продолжительность - на 9%, удельный расход топлива - на 8%, температура отработанных газов - на40~60°С. 1.7. Работа дизеля на термообработанном мазуте Испытания по выбору режима термообработки тяжелых топлив проводились на мазутах 100В и М-2 с автоматическим поддерживанием заданных условий. В процессе исследования осуществлялся анализ группового и фракционного состава топлива, определяли его вязкость и температуру застывания. Параметры, характеризующие режимы термообработки топлива, изменялись в следующих пределах: температура 350~420оС, продолжительность не более часа и давление не выше 4 МПа. Выбор рационального режима термообработки топлив с вязкостью до 160 - 180 мм2/с осуществляется из условий максимального снижения их вязкости при отсутствии коксообразования. Опытная партия термообработанного мазута для проведения испытаний на двигателе 1ЧН26/34 была получена при температуре нагрева 410°С в течение 30 мин при давлении не выше 0,5 МПа. Анализ его свойств свидетельствует, что температура начала его кипения уменьшилась до 105°С. При этом образовалось 8% бензиновых фракций, а в целом количество фракций с температурой кипения ниже 300°С увеличилось на 25%, что снизило вязкость мазута в пять раз. Оценивая склонность топлива к воспламенению по величине цетанового числа, следует отметить, что ЦЧ мазута 100ВТ на 10% больше по сравнению с исходным - 100В. Увеличение содержания в мазутах с вязкостью 160-180 мм2/с бензиновых и керосиновых фракций и снижение температуры начала их кипения до 100 - 110°С приводит к существенному улучшению их распылива-ния и испаряемости, что обеспечивает снижение удельного расхода мазута в дизеле. На рис. 1.13 приведены характеристики    двигателя 1ЧН26/34 на четырех видах топлива (ДЛ - дизельное, 100В -мазут, 100ВС - мазут с добавлением дизельного топлива и бензина, 100ВТ - термообработанный мазут). При работе на мазуте 100 Вт отмечается значительное снижение удельного расхода топлива (220~205 Г/(кВт ■ ч)) на режиме Рте = 2,0 МПа. Рис. 1.13. Винтовая характеристика двигателя 1ЧН26/34:
Затраты на термообработку не превышают 1,5-2% от удельного расхода топлива и могут быть снижены. 1.8. Рекомендации по выбору тяжелого топлива для МОД и СОД На основании опыта эксплуатации МОД и СОД фирма MAN-B&W по закупке топлива рекомендует ссылаться на ISO U-ДЛ; «- 100 В; о - 100 ВС; ©- Ю0ВТ;
8217, В56843 и на рекомендации CIMAC, касающиеся требований к тяжелому топливу для дизелей, издание 1990 г. Из них следует, что максимально приемлемые марки - КМ1155 и К55. Упомянутые стандарты ISO и BS заменяют BSMA100, в котором указан предел М9. В табл. 1.8. приведены данные из соответствующих стандартов и спецификаций. На основе опыта эксплуатации и в качестве дополнения к вышеуказанным стандартам фирма представляет руководящую спецификацию топлива (табл. 1.9). В табл. 1.8 и 1.9 данные относятся к топливу в том виде, в котором оно поставляется на судно, т.е. до очистки на борту. Эти топлива были использованы с удовлетворительными результатами в двухтактных крейцкопф-ных малооборотных дизелях и в четырехтактных дизелях Holeby. Если характеристики по результатам анализа превышают указанные значения (табл. 1.9), особенно это касается вязкости и удельной плотности, следует связаться с изготовителем двигателя для консультации по возможному изменению системы. Тяжелое топливо, % ^ Легкое топливо, % q 40 50 60 70 80 90 100 110 120 t, °С I I I I 1 I 1 I 1 I I 1 1 1 1_I J_I_I_I_I_I_L 60 50 40 30 20 10 0 _j_I_1_I_I_i_I_I_I—1—I—I—) 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 1.14. Диаграмма зависимости вязкости смеси двух видов топлив от их соотношения и температуры. 1-3,5 мм2/с (35 с R1);2~24 мм2/с (100 с R1); 3~50 мм2/с (200 с R1); 4-100 мм2/с (400 с R1); 5~145 мм2/с (600 с R1); 6~370 мм2/с (1500 с R1)
I_I_I_I_L
Я), мм2/с
1.9. Топливные смеси При смешении двух топлив различной вязкости сначала необходимо определить вязкость смеси и изменение при нагреве. Предположим, что нужно получить смесь, вязкостью 50 мм2/с (200 с R1). На рис. 1.14 проведем горизонтальную линию на уровне данного значения. Она пересечет две наклонные линии, одна из которых (7) соответствует смеси морского дизельного (легкого) топлива вязкостью 5,6 мм2/ с (40 с R1) и тяжелого вязкостью 900 мм2/с (3500 с R1), а другая (II) - смеси морского дизельного топлива вязкостью 3,4 мм2/с (34 с R1) и тяжелого вязкостью 380 мм2/с (1500 с R1). Вертикали, проведенные из точек пересечения названных линий, укажут на нижней горизонтальной шкале нужные соотношения компонентов. Вязкость в этом случае в соответствии со стандартом Редвуда отнесена к температуре 38°С (100°F). Зависимость вязкости смеси от температуры устанавливается по верхней горизонтальной шкале и штриховым линиям, каждая из которых соответствует определенной вязкости смеси при стандартной температуре 38°С. Глава ?. Топливо и его эксплуатационные свойства 1 Глава i Топливо и его эксплуатационные свойства
^ LH 1 ^ LO —i 43- —i m
600
80
80
Стандарты морских остаточных топлив Обозначение —J m U X CLMAC КЗ 5 Относится к ISO 8217(87) RMF RMG RMH 25 35 I 35 Характеристика Плотность при 15°С 991 1010 ! 991 Кинематическая вязкость при 100'С Температура вспышки I °С Температура разжижения Углеродный остаток Зольность Общий осадок после старения
1} Приблизительные значения вязкости (только для информации) Кинематическая вязкость (сСт) при Ю0°С 6 10 15 25 35 45 55 Кинематическая вязкость (сСт) при 50°С 22 40 80 180 380 500 700 Сек. Редвуд I при 100° С Фаренгейта    165 300 600 1500 3500 5000 7000 2)    1сСт = 1мм2/с. 3)    Применительно к региону и ко времени года, в которых топливо бункеруется и используется (верхнее значение ~ зима, нижнее-лето). 4)    Рекомендуемое значение. Может быть ниже при меньшей вязкости. 5> Характеристики сгорания Используемые данные анализа для топлива, а также спецификации и стандарты обычно не содержат прямых характеристик сгорания. Хотя этот параметр не является особенно важным для мало - и среднеоборотных двигателей с высокой степенью сжатия, характеристики сгорания в какой-то степени могут быть определены на основе вязкости и плотности с использованием расчетных формул, даваемых, изготовителями топлива (CCAI фирмы Shell или СМ фирмы ВР). Высокая плотность в сочетании с малой вязкостью может являться указанием на плохие характеристики сгорания.
Обозначение Ванадий Алюминий и кремний Характеристики сгорания
Окончание таблицы 1.8
Таблица 1.9 Руководящая спецификация (максимальные значения) Плотность при 15°С Кинематическая вязкость при 100°С при БОТ Температура вспышпки Точка плавления Остаток углерода Общий осадок после старения Ванадий Алюминий + кремний Равнозначна ISO 8217/CIMAC * - ЮЮ при условии, что установлены автоматические современные кларификаторы. Соотношение компонентов (концентрация) смеси при заданном значении ее вязкости и при известной вязкости каждого компонента можно определить по номограмме (рис. 1.15) следующим образом. Точку 0 правой шкалы соединяют прямой линией с точкой, соответствующей вязкости менее вязкого компонента, на левой шкале. Точку 100 правой шкалы соединяют прямой линией, соответствующей вязкости более вязкого компонента на левой шкале. Через точку пересечения этих линий и отмеченную точку на левой шкале, соответствующую заданной вязкости топливной смеси, проводят прямую линию до пересечения с правой шкалой. Эта точка дает значение искомой концентрации. Все исходные значения вязкости должны быть заданы при одинаковой температуре. В случае невыполнения этого условия вязкость компонентов определяется при температуре, при которой задана вязкость топливной смеси (обычно при 50°С). Топливные смеси надо обязательно проверять на стабильность (например, методами микроскопии или пятна). При хранении более 30 суток топливную смесь полагается перемешивать (например, перекачиванием или рециркуляцией) в течение не менее б ч. Приготовляя топливную смесь на судне, необходимо иметь кроме паспортов на ее компоненты справку о стабильности их смесей в соотношении, обеспечивающем заданную вязкость. Справка выдается нефтебазой при бункеровке судна. Это же требуется и при бункеровке судна непосредственно топливной смесью. Рис. 1.15. Номограмма для определения концентрации более вязкого компонента топливной смеси при известных вязкостях составляющих топлив Тяжелые и дизельные топлива в отдельности приобретаются в любом порту мира. Их однородные смеси вязкостью 50-150 мм2/с (200-600 с R1) при 50°С можно успешно применять для любого дизеля. Если рабочая смесь готовится на борту, то требуется достаточное количество цистерн. Смесь обычно готовят в отстойной или суточной цистерне. Однако в судовых условиях трудно добиться однородности смешанного топлива. Поэтому применяются автоматические смесительные установки, например, шведская смесительная установка типа «Дудвелл», расположенная 4 Зак. 2160 в судовой станции бункеровки, или смесительная установка типа «Бун-кермастер» марок ВМК-150, BMP-200, ВМР-300 (рис. 1.16). Они состоят из смесителя с насосами и необходимой контрольно-измерительной аппаратуры, скомпонованной на одной панели. 8 Рис. 1.16. Принципиальная схема установки «Бункермастер»: 1, 2, 14 - цистерны дизельного, тяжелого и смешанного топлива на нефтебазе; 3 ~ переносные соединительные трубопроводы; 4 ~ контрольный кран (пробный); 5 -манометр разности давлений дизельного и тяжелого топлив; 6 -манометр; 7 ~ пневматический быстрозапорный клапан; 8 ~ бункерная установка; 9,11 -расходомеры легкого и тяжелого топлив; 10 ~ контрольно-управляющая панель (а, б, в, г- индикаторы дизельного топлива, пропорционального соотношения смеси, расхода тяжелого топлива и разности давлений топлива); 12 ~ фильтр; 13 -магистральный смеситель Процесс смешения включает следующие операции: установление требуемой пропорции смешения топлив с помощью диаграмм смешения и контроль требуемого соотношения в специальном устройстве. Смешение происходит автоматически с помощью двух редукционных клапанов, соединенных специальным трехходовым смесительным клапаном. Положение золотника в трехходовом клапане указывает смесительное соотношение, которое можно установить вручную регулировочным рычагом. Обе стороны диафрагмы соединены с соответствующими сторонами смесительного клапана (оба ее входа оборудованы контрольными клапанами). Имеется только одна топливная емкость. При одинаковом давлении входящих жидкостей поток будет пропорционален площади открытия клапанов. Установка топливоподготовки GEKO (Япония) обеспечивает поддержание в автоматическом режиме необходимой вязкости и температуры используемого в дизелях топлива. Установка скомпонована на одной панели (рис. 1.17). Г/однод тяжелого Подвод дизельного топлива    топлива Рис. 1.17. Принципиальная схема включения смесительной установки: 1 - ВД; 2 ~~ сепараторы; 3,4 ~ отстойная и расходная цистерны тяжелого топлива; 5,6 ~ отстойная и расходная цистерны дизельного топлива; 7,11- насосы; 8 ~ контрольно-измерительная бустерная установка GEK0 5097; 9 ~ смесительный бак; 10 - установка топливоподготовки GEKO-5099; 12 ~ подогреватель; 13 ~ фильтр; 14 ~ вискозиметр Температура и окончательная вязкость регулируются паровым контрольным клапаном автоматически (или вручную). Основные технические характеристики установки GEKO следующие: производительность 60-130 л/мин смешанного топлива, диапазон вязкости 3“750 мм2/с (30-3000 с R1) при рабочей температуре, смесительное соотношение 5/95 - 95/5% по объему, точность ±1% по объему, допускаемое давление топлива 1 МПа, максимальное выходное давление топлива 0,5 МПа, диаметр впускного и выпускного фланцев 32 мм, приблизительная масса 300 кг, напряжение трехфазного тока 220,380 В, частота 50 Гц, мощность 1,5~1,8 кВт, частота вращения вала насоса 2900, 3500 мин-1. В установках «Дудвелл» насос дизельного топлива должен работать с давлением на 0,15~0,2 МПа выше, чем насос, подающий тяжелое топливо. Установка обеспечивает изменение пропорционального соотношения при любом расходе топлива. Указанные установки обеспечивают получение смеси вязкостью 180 мм2/с при 50°С (1500 cRI при 100°F) и подогрев ее до соответствующей температуры. Критерием для выбора пропорции смешения могут быть требования к вязкости и к содержанию ванадиевых окислов и углеродистых и зольных остатков. Чтобы обеспечить качественный выпуск, смесительная установка должна поддерживать вязкость топлива в допустимых пределах при температуре ±20°С. При нагрузке менее 30% дизель автоматически переводится полностью на дизельное топливо. Переход с тяжелого топлива на дизельное и наоборот происходит по программе. Система автоматически снижает или увеличивает содержание дизельного топлива в тяжелом в зависимости от нагрузки дизеля и вязкости используемого тяжелого сорта топлива (рис. 1.18).
П ол ность ю дизель переходит на дизельное топливо (100%) при снижении нагрузки до 30%. Программа разработана для тяжелых топлив е' вязкостью 1500, Рис. 1.18. Диаграмма автоматического перевода дизеля с 780,600,370 мм2/с тяжелого топлива на дизельное и наоборот    (6000, 3500, 2500, 1500 с R1). 1.10. Водотопливные эмульсии В среднеоборотных и малооборотных дизелях применяются более дешевые и, как правило, более тяжелые сорта топлива. Работа дизеля на тяжелом топливе вызывает ряд проблем, связанных с ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, повышением уровня теплонапря-женности, увеличением количества лакообразований и нагароотложе-ний на деталях цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), интенсификацией износов ЦПГ, сокращением срока службы смазочного масла. Одним из эффективных путей решения данных проблем является применение водотопливных эмульсий, использование которых не требует каких-либо переделок двигателя, не вызывает необходимости изменения технологии изготовления топлива и не нуждается в больших капиталовложениях. Состав и основные физико-химические свойства водотопливных эмульсий Водотопливные эмульсии (ВТЭ) представляют собой дисперсную систему, состоящую из мелких капель жидкости (дисперсной фазы), распре* деленных в другой жидкости (дисперсионной). Различают прямые эмульсии типа «масло в воде», с каплями неполярной жидкости (например, топлива в полярной водяной среде) и обратные типа «вода в масле». В дизелях применяются эмульсии обратного типа, которые исключают контакт металлических поверхностей топливной аппаратуры и стенок трубопроводов с водой. Поэтому далее будут рассматриваться свойства только этих эмульсий. В зависимости от вида исходного топлива в состав эмульсии для облегчения образования и повышения устойчивости добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ) - эмульгаторы. В качестве эмульгаторов применяют мазут (1~2%), низшие спирты (<5%) и их сложные эфиры (0,05-0,5%). Для получения эмульсий тяжелых топлив эмульгаторы не требуются, так как в них имеются природные ПАВ. Показатели качества воды, используемой для получения ВТЭ, в настоящее время не регламентируются. Однако установлено, что коррозию деталей топливной аппаратуры (ТА) могут вызывать совместно действующие микроорганизмы. Плотность ВТЭ зависит от плотности компонентов и от их количественного соотношения в эмульсии. Величина плотности рассчитывается по формуле: Рэ — Рт * Ц+Рвт ^в» где рэ, рт, рв “ плотность эмульсии, топлива и воды соответственно при данной температуре; vT, г>в “ объемные доли топлива и воды в эмульсии. Вязкость эмульсий определяется вязкостью исходного топлива, количественным содержанием воды и температурой самих эмульсий. Вязкость ВТЭ выше вязкости исходного топлива. С увеличением содержания воды вязкость эмульсии возрастает. Согласно экспериментальным данным, получены эмпирические зависимости вязкости эмульсии для различных видов топлив от содержания воды в эмульсии рис. 1.19, а. По мере повышения температуры разница между величинами вязкости эмульсии и исходного топлива сокращается, и при температуре 85-100°С вязкость эмульсии, в особенности при £ = 15~20%, уже мало отличается от вязкости топлива, рис. 1.19,6. Температурный предел подогрева ВТЭ с целью снижения вязкости определяется температурой кипения не только топлива, но и воды. Температура начала вспенивания и вскипания для эмульсии мазута М40 при содержании воды 12,7; 20,0; 31,4; 36,0% составляет соответственно 88; 89; 90; 92 и 103; 106; 109; 113°С. Во избежание вспенивания подогрев ВТЭ выше 100°С следует осуществлять в закрытых емкостях при избыточном давлении. Поверхностное натяжение на границе дисперсной фазы и дисперсионной среды (ож) влияет на дисперсность и устойчивость эмульсии. Величина поверхностного натяжения на границе жидкость-газ (оэ) определяет качество распыливания и сгорания эмульсии. Чем ниже поверхностное натяжение оэ, тем тоньше распыл топлива и полнее его сгорание. С увеличением содержания воды зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры становится более заметной (рис. 1.19, а). Стабильность водотопливной эмульсии является важным показателем ее качества с точки зрения надежности работы двигателя на ВТЭ. Различают кинетическую и агрегативную стабильность. Кинетическая стабильность определяется устойчивостью частиц дисперсной фазы к седиментации. Она зависит от величины дисперсности и разности плотностей топлива и воды. Агрегативная стабильность характеризуется устойчивостью частиц дисперсной фазы к коалеценции и определяется наличием эмульгаторов, которые образуют на поверхности капель воды сольватный молекулярный слой, предотвращающий их слияние. Рис. 1.19. Зависимость вязкости эмульсии дизельного, моторного топлива (а) и мазута (6) от содержания воды и от температуры: 1-топливо ДЛ(У^= 3,8-106м2/с); 2 ~ топливо ДТ (VST°= 1,4 ~ 10 6м2/с); 3 -мазут М40, 4 ~ эмульсия мазута £ = 15%; 5 ~ то же, £ = 20%; 6 -то же, £ = 30%; 7 -то же, £ = 40%; 8 -тоже, £=.50% Эмульсии типа «дизельное топливо - вода» обладают низкой кинетической стабильностью. Расслоение происходит за несколько часов. Агрегативная стабильность эмульсии такого типа гораздо выше, как это видно из рис. 1.20,6. При подогреве ВТЭ дизельного топлива до температуры более 50°С ее агрегативная стабильность снижается. Низкие температуры не оказывают заметного влияния на стабильность эмульсий.
dK, мкм 9.6 8,8 8,0 7,2 6,4 5.6
О 5 10 15 20 25 $ Рис. 1.20. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения эмульсии моторного топлива ДТ от температуры (а); агрегатной стабильности от времени (б) и температуры застывания от содержания воды (в) эмульсий дизельного топлива: 1 ~ моторное топливо ДТ; 2 - £ = 10%; 3 ~ £ = 20%; 4 ~ £ = 30%; 5-£ = 40%;    10%; 7~\ = 10%, мазута ~ 1%; 8 - £ = 15%; мазута 1%
Эмульсии моторного топлива ДТ получают без применения эмульгаторов, так как в самом топливе имеются природные эмульгаторы - смолы и асфальтены. Этим они выгодно отличаются от эмульсий дизельного топлива. Высокой стабильностью обладают эмульсии, полученные на основе мазутов. Стабильность водомазутных эмульсий сохраняется в течение нескольких месяцев. Их нагрев до 90~92°С и охлаждение до низких температур не оказывают влияния на стабильность. Вопрос о стабильности эмульсии можно практически не рассматривать, если ВТЭ использовать сразу же после ее изготовления. Дисперсность ВТЭ определяется размерами капель дисперсной фазы (воды). Чем меньше размер капель водной фазы и меньше отличие их по размерам между собой, тем равномернее распределяются частицы во- ды в топливе и, следовательно, повышается кинетическая стабильность эмульсии. Дисперсность зависит от плотности, вязкости, поверхностного натяжения перемешиваемых жидкостей, их количественного соотношения, способа и продолжительности диспергирования. Средний диаметр дисперсной фазы (с/к) изменяется от 1 до 50 мкм. Дисперсность эмульсии, подаваемой в дизель, определяется видом фильтрующего материала топливного фильтра. При пропускании эмульсии с дисперсностью 6—15 мкм через войлочный фильтр dK увеличился на 8~10%, а при фильтрации более грубых эмульсий разница средних размеров капель возрастает до 15~17%. Температура застывания ВТЭ зависит от температуры застывания топлива и содержания воды в эмульсии. Вода, содержащаяся в эмульсии, повышает температуру ее застывания, что ухудшает пусковые свойства топлив при низких температурах. Температура застывания водомазутных эмульсий колеблется в пределах 11“25°С. Зависимость температуры застывания от содержания воды в эмульсиях на основе дизельного топлива ДЛ представлена на рис. 1.20, в. Температура вспышки ВТЭ *в(э) определяет степень пожарной опасности топлива и имеет большое эксплуатационное значение. С увеличением содержания воды в эмульсии fB(3) возрастает, поэтому такие эмульсии при прочих равных условиях обеспечивают большую пожарную безопасность. Теплотворная способность ВТЭ ниже, чем исходного топлива, за счет затрат тепла на испарение воды, которые прямо пропорциональны ее количеству в эмульсии. При увеличении содержания воды от 0 до 40% теплотворная способность дизельного топлива снижается приблизительно на 5%, а мазута М-бО - на43,5%. Использование ВТЭ ведет к увеличению цикловой подачи насоса высокого давления. Это обстоятельство необходимо учитывать при переводе двигателя с чистого топлива на водотопливную эмульсию, так как цикловая подача ВТЭ не должна превышать запас по производительности ТНВД. Способы получения ВТЭ Установки для получения водотопливных эмульсий должны быть просты по конструкции, надежны и эффективны в эксплуатации. Для получения ВТЭ могут быть использованы коллоидные мельницы, механические мешалки, струйные диспергаторы, барбатажные установки, ультразвуковые и кавитационные установки, гомогенизаторы, гидродинамические сирены. Коллоидные мельницы приготавливают эмульсии высокого качества (средний диаметр капель dK = 3~5 мкм), однако требуют больших энергозатрат и имеют малую производительность. Механические мешалки не позволяют получить мелкодисперсную эмульсию (dK = 12-18 мкм), хотя имеют большую производительность и меньшие затраты энергии. Струйные диспергаторы просты по конструкции, однако необходимо дополнительное оборудование (шестеренчатые насосы) и многократная (14-15 раз) обработка для получения высококачественной эмульсии (dK = 2~8 мкм). Барбатажные устройства характеризуются неравномерностью распределения частиц дисперсной фазы по объему эмульсии, крупными размерами капель (dK = 5 мкм) и высоким расходом энергии. Ультразвуковые и кавитационные установки имеют высокую сто имость, сложны по конструкции и в эксплуатации, хотя позволяют получать эмульсию с размерами частиц dK = 5 мкм. Гомогенизаторы используются для получения эмульсии с размерами капель 1 мкм и менее. Однако они сложны по конструкции, работают при высоких давлениях (до 35 МПа), что ведет к преждевременному износу и поломке деталей, требует многократной обработки эмульсии и больших энергозатрат. Гидродинамические сирены (центробежно - и роторно-пульсаци-онные аппараты) просты по конструкции, надежны в эксплуатации, имеют малые затраты энергии, причем интенсивность процессов тепло - и массо-обмена в них на 1-2 порядка выше, чем в существующих устройствах. В роторно-пульсационном аппарате (РПА) при одно-двухкратной обработке можно получить эмульсию со средним размером частиц 3~б мкм, причем время обработки составляет 20~30 с, что на 2~3 порядка меньше, чем при получении такой же эмульсии в аппарате с мешалкой. Доля частиц среднего размера доходит до 90-95%. Принципиально возможно получение эмульсий с размером частиц dK = 0,5~1 мкм. Рабочие органы РПА (например, а.с. СССР №719654) представляют собой два комплекта полых коаксиальных цилиндров с отверстиями различной формы вдоль образующих. При вращении одного набора (ротора) относительно другого (статора) происходит быстрое чередование совмещения и перекрытия прорезей, что влечет за собой синхронное изменение скорости движения жидкости через прорези, т.е. возникновение пульсирующего с большой частотой жидкостного потока. Одновременно в этом же устройстве обеспечивается обработка среды в тонких зазорах за счет высоких напряжений сдвига и срезывающих усилий. Кроме того, при работе РПА возникают разнонаправленное поле скоростей, процессы в пристеночных зонах, кавитация и другие явления. Изменения отдельных конструктивных элементов позволяют в широких пределах изменять интенсивность гидродинамических или механических явлений при сохранении общего принципа работы аппарата. Установки для получения эмульсий отличаются различными затратами энергии. Как видно из рис. 1.21, механические мешалки потребляют значительно меньше энергии, чем коллоидные мельницы или гомогенизаторы при той же производительности. Однако получаемая эмульсия имеет большую дисперсность, чем у аппаратуры других типов. По данным исследований, мощность, потребляемая РПА, на два порядка меньше, чем у мешалки, в 4~6 раз ниже, чем в ультразвуковом диспергаторе, и меньше, чем у струйного аппарата. Поэтому роторно-пульсационные аппараты являются наиболее экономичными по сравнению с устройствами других типов. О    0,045 0,450 4,5 Ом3/ч Рис. 1.21. Расход мощности на эмульгирование в различных аппаратах: 1 - коллоидная машина; 2 ~ гомогенизатор; 3 - механическая машина
Анализ систем по приготовлению ВТЭ свидетельствует о том, что существуют два принципиальных подхода к их реализации. Первый подход предусматривает приготовление ВТЭ вне связи с работой двигателя, причем эмульгирование осуществляется в системе топливоподготовки с накоплением готовой ВТЭ в промежуточных емкостях для относительно длительного хранения. Компоненты ВТЭ хранятся отдельно и отдельно проходят стадии предварительной обработки, эмульгирование топлива выполняется в однорежимных (по производительности, содержанию воды и ее дисперсности) диспергаторах. Для хранения запаса ВТЭ предусматриваются специальные емкости. Фильтрация ВТЭ осуществляется перед ТНВД. Регулирование состава ВТЭ по содержанию воды отсутствует. В таких установках возможно использование относительно простых по конструкции диспергирующих устройств с малой интенсивностью мас-сообмена (мешалок, дросселирующих устройств и т.д.). К недостаткам этой системы относится невозможность оптимизации содержания воды по нагрузке двигателя, сложности реализации его работы на тяжелых топливах, необходимость применения эмульгаторов, сложность фильтрации ВТЭ, перевода дизеля для работы на чистом топливе и удаление ВТЭ из системы топливоподготовки при остановке двигателя. Второй подход к реализации системы приготовления ВТЭ предусмат-ривает диспергирование топлива непосредственно перед ТНВД. При этом компоненты ВТЭ хранятся отдельно и стадии первичной обработки (фильтрация, подогрев) также выполняются отдельно. Такой подход позволяет оптимизировать содержание воды и других компонентов в ВТЭ в зависимости от типа двигателя, режимов его работы, сорта топлива и приоритета цели - экономия топлива, перевод двигателя на более тяжелое топливо, форсирование по мощности, снижение дымности и токсичности. К положительным качествам такой системы относятся простота очистки исходных продуктов ВТЭ, возможность работы на тяжелых топливах, требующих подогрева до 100-150°С перед ТНВД, и простой перевод дизеля с чистого топлива на ВТЭ и обратно. Данная система не требует дополнительных затрат на поддержание стабильности эмульсии, так как ВТЭ расходуется сразу после ее получения. Однако этот вариант требует установки диспергатора, обеспечивающего получение ВТЭ необходимого качества при однократной обработке. Сравнивая два подхода к реализации систем приготовления ВТЭ, можно сделать вывод, что система приготовления эмульсии непосредственно перед ТНВД является наиболее выгодной в эксплуатации. Она дает возможность оптимизировать содержание воды в ВТЭ при изменении режима работы двигателя, исключает применение дорогостоящих эмульгаторов для поддержания стабильности эмульсии, является менее энергоемкой. Особая роль воды в процессе смесеобразования объясняется исследователями следующим образом. Эмульсия представляет систему, состоящую из двух жидкостей с разной температурой кипения; температура кипения воды при нормальном давлении равна 100°С, а мазута -260~300°С. Капля эмульсии типа «вода в масле» представляет собой сложную систему, состоящую из топлива, в котором равномерно в виде мелких частиц распределены капельки воды. Хотя температура поверхности капли жидкости в процессе ее испарения несколько меньше температуры кипения, разница между температурой поверхности частицы топлива и температурой кипения воды, заключенной внутри капли топлива, остается весьма существенной и достигает 70-200°С. Благодаря этому микрочастицы воды, находящейся внутри капли эмульсии, в процессе ее прогрева быстрее переходят в парообразное состояние и образуют паровые пузырьки, чем пленка топлива, обволакивающая эти пузырьки пара. При этом толщина пленки топлива вследствие испарения с поверхности капли непрерывно уменьшается. В момент, когда давление стремящихся расшириться водяных паров внутри частицы превысит уже ослабленные (вследствие ее нагревания) силы поверхностного натяжения пленки, произойдет разрушение поверхности капли, т.е. микровзрыв. Вследствие этого происходит интенсивное распыливание капель топлива и хорошее перемешивание их с воздухом в цилиндре. Благодаря этому процесс сгорания топлива становится более совершенным и происходит за меньший промежуток времени. Более полное сгорание в этом случае обеспечивается также газификацией сажистых остатков топлива, которые обычно не успевают сгорать, но в присутствии паров воды в достаточном количестве взаимодействуют с последними при температуре выше 800°С с образованием углекислого газа и водорода. Свободный водород реагирует с кислородом быстрее и активнее, чем углерод. Существование таких реакций наглядно подтверждается тем, что при впрыске воды во всасывающий коллектор двигателей внутреннего сгорания нагара и сажи на днище поршня, крышке цилиндра и на выпускном патрубке, как правило, не обнаруживается. Существует мнение, что улучшение процесса смесеобразования объясняется также выбросом паров воды и осколков топлива в виде нестационарных микроструй из капли топлива при сгорании ее в цилиндре двигателя. Образующиеся микроструи создают реактивную силу, которая вызывает колебания капли в потоке, повышает коэффициент диффузии и ведет к турбулентному перемешиванию частиц в струе распыленного топлива. При использовании водотопливной смеси особо важное значение имеет предварительное сильное диспергирование воды. При этом увеличивается абсолютная величина водяной поверхности и уменьшается толщина слоев углеводородов, покрывающих поверхность воды. Увеличение абсолютной поверхности жидкого топлива ведет к сильному увеличению скорости его испарения и сгорания. Благодаря наличию паров воды должно иметь место интенсивное образование свободных радикалов Н - и -ОН и, следовательно, зарождение цепной реакции крекинга и окисления, например: ("
bUO -> Н. + .ОН
■ + С2Н6 -> Н2 + ‘С2Н5 ОН + СН4 -СН3 + Н20
В результате этих реакций температура окружающей среды падает и в какой-то степени увеличивается теплотворная способность топлива, что ведет к повышению экономичности работы дизеля. Интенсивность процессов смесеобразования, сгорания и в целом экономичность дизеля при работе на ВТЭ определяются в основном двумя факторами - увеличением поверхности испарения топливных факелов и продолжительностью впрыска топлива. Изменение физических характеристик различных топлив определяет лишь конкретную величину суммарного эффекта от упомянутых факторов. Вода замедляет процесс сгорания топливного компонента в эмульсии.
Экспериментальные исследования ВТЭ на двигателе 1ЧН26/34 Для экспериментальных исследований двигатель 1ЧН26/34 был оснащен системой приготовления ВТЭ на основе тяжелых топлив (рис. 1.22), которая обеспечивала: ♦    возможность регулирования содержания воды в топливе от 0 до 50% с размером капель эмульгированной в топливе воды 2~4 мкм; ♦    заданную вязкость ВТЭ перед топливным насосом высокого давления; ♦    раздельные замеры расходов компонентов ВТЭ (топлива и воды). Испытания проводились на режимах ре = 1,7 МПа и ре = 0,9 МПа на ВТЭ на основе флотского мазута Ф5 (вязкость 36 мм2/с, плотность 0,92 г/см3).Результаты испытаний дизеля на ВТЭ с различным содержанием воды (£ = 0-30%) при скорости плунжера 1,28 и 1,59 м/с приведены на «рис. 1.23. Рис. 1.22. Система для работы дизеля 1ЧН26/34на ВТЭ: ТНВД - топливный насос высокого давления, Р - датчик давления, t ~ термометр, РПСД-05-роторно-пульсационный смеситель -диспергатор Из них следует: ♦    наилучшая экономичность (де и gj) и наименьшая про-должител ь -ность сгорания Ф2 имеют место при £ = 18-20%; Рис. 1.23. Изменение эффективных и индикаторных показателей рабочего процесса дизеля 1ЧН26/34 при работе на ВТЭ: □ - скорость плунжера 1,28 м/с; (роп= 12,6°п.к.в.; А-А ~ скорость плунжера 1,59м/с; <р0Г1 = 12,8° п.к.в.,-х-х -скорость плунжера 1,59м/с; <Pon =VAR
♦    максимальное давление сгорания ртах, температура отработанных газов tg и содержание в них окис- лов азота е N0
увеличением содержания воды в ВТЭ снижаются; ♦ продолжительность догорания капли ВТЭ Фд снижается, а продолжительность подачи ВТЭ в цилиндр фкп возрастает с увеличением воды в эмульсии; ♦ период задержки воспламенения ф| мало зависит от содержания воды в эмульсии. При почти одинаковых опережениях впрыска ВТЭ (12,6° п.к.в.) и чистого топлива (12,8° п.к.в.) и периода их подачи (28,2° п.к.в. и 28,5° п.к.в.) продолжительность процесса сгорания ф2 на ВТЭ с содержанием воды 18% снизилась на 20%, а топливная экономичность возросла на 2~3%. Это объясняется прежде всего увеличением суммарной поверхности топливного факела ВТЭ (а, следовательно, и скорости испарения) на 21—25%. В результате экспериментальных исследований по применению ВТЭ в других среднеоборотных дизелях установлено, что их экономичность, как правило, улучшается на 2~5% при содержании воды в эмульсии от 10 до 39%. Величина изменения экономичности при переводе дизеля на ВТЭ определяется индикаторным КПД рабочего процесса при работе на чистом топливе. Чем меньше индикаторный КПД, тем больший эффект в улучшении экономичности оказывает применение ВТЭ (за счет интенсификации смесеобразования и сгорания). Для дальнейшего улучшения процесса сгорания ВТЭ в дизеле была разработана система ее двухкомпонентной подачи. Для ослабления отрицательного воздействия увеличения продолжительности впрыскивания на эффективность применения ВТЭ необходимо на конечных стадиях процесса топливоподачи увеличить концентрацию воды, сократив тем самым время выгорания топливного компонента при неизменном общем содержании воды в ВТЭ. Это ставит задачу получения водотопливной смеси (ВТС) переменного состава, в которой в отличие от водотопливной эмульсии, где концентрация воды постоянна во всем объеме цикловой подачи, поступление водяного компонента в период одного впрыска происходит по определенному закону. Для этого используется способ, заключающийся в подпитке водой линии высокого давления (ЛВД) при ее разгрузке между двумя впрыскиваниями за счет разгружающего действия. Для проведения экспериментальных исследований дизель 1ЧН26/34 был оборудован системой подачи воды в трубопровод высокого давления ТНВД. При анализе полученных результатов было отмечено следующее. При работе дизеля на режимах малых нагрузок (до 30%) практически не ощущалось разницы при использовании ВТЭ постоянного состава и ВТЭ переменного состава. При увеличении нагрузки до 75% и выше преимущество последней становилось очевидным. В этом случае топливная экономичность дизеля улучшалась на 4~5%. Наиболее оптимально впрыск воды в цилиндр двигателя производить после начала воспламенения топлива. Исследование ВТЭ на основе дизельных и высоковязких топлив Целью этих исследований является улучшение экологических показателей легких быстроходных четырехтактных дизелей за счет предотвращения образования и снижения выхода окислов азота и вредных продуктов неполного сгорания топлива при сохранении (или улучшении) достигнутого уровня экономичности. Для достижения поставленной цели было выполнено следующее: ♦    комплексное экспериментальное исследование эффективности «традиционных» методов организации малотоксичного рабочего процесса; ♦    теоретическое и экспериментальное исследование возможностей улучшения экологических показателей дизелей типа 49,5/11, ЧН9,5/11, ЧН18/20, ЧН16/17 ♦    выбор эмульгаторов, диспергатора, разработка систем дозирования; ♦    изготовление высококонцентрированных малодисперсных стабильных ВТЭ. Экспериментальные исследования «традиционных» методов организации малотоксичных процессов сгорания в дизельных двигателях (регулировка ТА, охлаждение наддувочного воздуха и пр.) показали, что с их помощью удается достигнуть улучшения экологических показателей не более чем на 10—30% при сохранении достигнутого уровня экономичности. При работе же дизеля 12ЧН 18/20 (АООТ «Звезда») на ВТЭ с оптимальным соотношением воды и топлива на режиме номинальной мощности обеспечивается снижение выхода окислов азота в 2~4 раза, окиси углерода в 2 раза, дымности в 2~4 раза, с одновременным повышением топливной экономичности на 3~5% и сохранением уровня максимального давления (рис. 1 .24). В целом же применение ВТЭ на основе тяжелых и дизельных топлив значительно снижает нагарообразование деталей цилиндропоршневой группы и элементов топливной аппаратуры. Фирма Wartsila (Италия) провела исследования возможности использования в четырехтактном среднеоборотном двигателе водотопливной эмульсии, приготовленной на базе битума. Эта эмульсия зарегистри- Рис. 1.24. Параметры дизеля    Рис. 1.25. Изменение динамической вязкости 12ЧН18/20 при работе на дизельном    Orimulsion® от температуры топливе и ВТЭ' -дизельное топливо;---ВТЭ рована фирмой Bitor (Венесуэла) и названа Orimulsion (табл. 1.10), изменение ее динамической вязкости приведено на рис. 1.25. Испытания проводились на двигателе W6L46 (6ЧН46/58) с частотой вращения коленчатого вала 500-514 мин-1 при среднем эффективном давлении 2,3“2,5 МПа и максимальной цилиндровой мощностью (905-975) кВт. На двигателе установлена специальная новая топливоподающая аппаратура и реализованы мероприятия по снижению кавитации и износов. де, Z140 130 120 110 100 90 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8, 2,0 2,2 2,4 Ре, МПа Рис. 1.26. Основные параметры двигателя при работе на различных топливах: 1 ~ температура за цилиндром; 2-на входе в турбокомпрессор; 3 ~ давление сгорания; 4 - обороты турбокомпрессора
5000 Рк, МПа о
Водотопливная эмульсия подогревалась до температуры 170 - 180° С при давлении 1,5—1,7 МПа и подавалась к топливной аппаратуре дизеля. Проводились сравнительные испытания на тяжелом топливе и водотопливной эмульсии (рис. 1.26). Отмечается, что дизель не был оптимизирован для работы на тяжелом топливе, но удельный расход водотопливной эмульсии ниже на ~ 1 г/кВт ■ ч во всем диапазоне нагрузок. Другие параметры рабочего процесса отличаются друг от друга незначительно, кроме снижения токсичности выпускных газов. 1.11. Применение горючих газов в качестве топлива дизелей В последнее время все более широкое распространение получают газовые двигатели (двигатели, работающие на газовом топливе) и газожидкостные (двухтопливные) двигатели, работающие на газовом и дизельном топливах. Это объясняется рядом преимуществ газообразного топлива по сравнению с жидким. Хорошие антидетонационные качества 5 Зак. 2160 Сравнительная характеристика топлив ь- -    Массовая доля. -    напряжение сдвига при 30 °С и 20 с1. -    единица измерения промилле, 1%о = 10 3 = 0,1%. газовых топлив, благоприятные условия смесеобразования, широкие пределы воспламенения в смесях с воздухом обеспечивают высокие тех-нико-экономические показатели двигателей. По удельной мощности и топливной экономичности лучшие современные газовые и газожидкостные двигатели близки к жидкотопливным, а по токсичности ОГ и износу имеют значительные преимущества перед ними. Применяемые газовые и газожидкостные двигатели отличаются большим разнообразием способов организации рабочих процессов и конструкций, но их можно подразделять по типу применяемого газового топлива, особенностям организации процессов смесеобразования, вое пламенения и сгорания, а также по принципу регулирования этих двигателей (рис. 1.27). Газовые двигатели различают по типу организации процесса воспламенения газообразного топлива. Их обычно создают на базе серийно выпускаемых двигателей, работающих на жидком топливе. Созданы газовые двигатели с внутренним смесеобразованием и форкамерно-факельным зажиганием. По такой же схеме выпускали двигатели большой размерностью для дизель-генераторов (8ГЧН26/26 и др.). Все они работают на сжатом газе. Позже были созданы двигатели с системами топливоподачи сжиженного газа. В этих системах сжиженный газ вначале преобразовывался в газообразное состояние, а затем смешивался с воздухом в газовоздушном смесителе, установленном во впускном трубопроводе, т.е. организовывалось внешнее смесеобразование (в смесительных устройствах, сходных по принципу работы с карбюраторами, обеспечивающих теми же средствами необходимый состав смеси на всех режимах). При этом были разработаны системы топливо-подачи с количественным, качественным и смешанным регулированием газовых двигателей. Воспламенение газообразного топлива в камере сгорания (КС) дизеля возможно от дополнительной свечи зажигания (форкамерно-факель-ное зажигание) за счет теплоты сжатия газовоздушной смеси и от запальной дозы дизельного топлива. Газовые двигатели с форкамерно-факельным зажиганием являются значительно более сложными, чем двигатели с внешним смесеобразованием, и в настоящее время не нашли широкого применения. Непосредственное использование газообразных топлив в дизелях без дополнительной свечи зажигания возможно только при степени сжатия 22 и выше, что обусловлено высокой температурой самовоспламенения этих топлив. Поэтому преимущественное распространение получили газодизели, в которых в конце такта сжатия газовоздушной смеси осуществляется впрыскивание дозы дизельного топлива. Причем запальная до- Рис. 1.27. Типы газовых двигателей за зависит от особенностей газодизеля (его размерности, уровня форсирования, свойств газообразного топлива) и может колебаться в широких пределах (от 5 до 50%). При конвертировании дизеля в газодизель требуется минимальное переоборудование двигателя, заключающееся в установке газовоздушного смесителя во впускной трубопровод с системой регулирования подачи газа при изменении нагрузочного режима (качественное регулирование) и некоторой конструктивной модернизации регулятора подачи запальной дозы дизельного топлива. Газодизельные двигатели с подачей запальной дозы дизельного топлива разработаны для судовых, дизель-генераторных и транспортных установок, для использования на газоперекачивающих станциях и т. д. Топлива, применяемые в газодизельных двигателях Горючие газы, применяемые в качестве топлив в газодизельных двигателях, можно подразделить на два основных вида: сжатые (комприми-рованные) и сжиженные. К первому виду топлив относятся горючие газы, подвергающиеся сжатию при высоком давлении (около 20,0 МПа), ко второму - газы, имеющие высокую критическую температуру и сжижающиеся при обычной температуре и относительно невысоком давлении (до 1,5~2,0 МПа). Газы первого вида подразделяют на высококалорийные (с низшей теплотой сгорания Ни > 23000 кДж/м3), среднекалорийные (/-/„ = 15000~23000 кДж/м3) и низкокалорийные (Ни< 15000 кДж/м3). К высококалорийным относятся природные газы, получаемые из скважин газовых и газоконденсатных месторождений, а также нефтяные газы - метаноэтановые фракции газов, получаемых из скважин попутно с нефтью и при ее переработке. Кроме того, некоторые из среднекалорийных газов, рассмотренных ниже, после специальной обработки также обладают высокой калорийностью. Основным компонентом природных газов является метан СН4, содержание которого составляет 95-99% (табл. 1.11, 1.12). В очень небольшом количестве в них присутствуют также этан С2Н6' пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12 и высшие углеводороды. Кроме того, эти газы содержат азот и углекислый газ (1-4%). Относительная плотность газов колеблется в пределах 0,56 - 0,58, теплота сгорания таких топлив составляет 34000-35600 кДж/м3, а тепловой эквивалент равен 1,25~1,35. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, в основном состоят из метана, количество которого колеблется в широких пределах. Относительная плотность их составляет 0,53-0,90, а содержание метана -63-95% (см. табл. 1.11). В метаноэтановых фракциях попутных нефтяных газов, получаемых при добыче нефти и ее прямой перегонке, количество этана возрастает до 30~60% от количества метана. В метаноэтановых фракциях газов деструктивной переработки нефти, особенно термического крекинга, кроме СН4 и С2Н6 появляются в значительном количестве Н2 и простейшие алке-ны, в частности этен С2Н4. В этих газах содержание углеводородов с двумя атомами углерода достигает 40~60% и более от содержания СН4. В метаноэтановых фракциях газов, получаемых при добыче и переработке нефти, присутствие более высокомолекулярных углеводородов (с С3 и выше) зависит от качества проведенного фракционирования и колеблется в относительно широких пределах (от долей процента до нескольких процентов). В качестве примесей в нефтяных газах присутствуют С02, H2S, N2, а также органические производные последнего и пары воды. К среднекалорийным газам относятся коксовый и светильный газы, получаемые из каменного угля в результате его газификации. От высоко- Таблица 1.11 vj Низшая теплота сгорания, относительная плотность по воздуху и состав газов основных газовых    ^ и газоконденсатных месторождений, попутных нефтяных, промышленных и генераторных газов Месторождение, газообразные продукты Состав, % (об.) более тяжелые N2 + редкие газы Газовые месторождения Медвежье Северо - Ставропольское Байрамли - Мургабское Северо - Уренгойское Уренгойское 0,82 Гэзоко нденсаш ые месторо кдения Шатликское (Мургабское) Шебеленское (Днепродонецкое) Поляткипское (Западно -Сибирское) - 0,560 -0,570 92,00 -96,20 _ Продолжение таблицы 1.11 Месторождение, газообразные продукты Состав, % (об.) более тяжелые N2 + редкие газы Попутные нефтяные газы Бориславское Ромашкинское Туймазинское Промышленные газы Жидкофазного
крекинга
Парофазного
крекинга
Коксовый
обогащенный
Генераторные
Из кускового
торфа
Из дров
Индивидуальные газообразные и легкокипящие углеводороды, входящие в состав горючих газов, другие
Таблица 1.12 rsj
газообразные топлива Глава i Топливо и его эксплуатационные свойства I Глава i Топливо и его эксплуатационные свойства
СО
Г азообразные и легкокипящие компоненты Формула состава Молекулярная масса Плотность жидкой фазы при температуре кипения и р = 0,1 МПа, кг/м3 Плотность газовой фазы при t = 0°С и р = 0,1 МПа, кг/м3 Относительная плотность газа по воздуху Октановое число по моторному методу Метановое число Цетановое число Температура кипения при и р — 0,1 МПа, °С Температура критическая, °С Теплота сгорания низшая (массовая), кДж/кг Теплота сгорания низшая (объемная), кДж/м3 Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг/кг Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 м3 вещества, м3/м3 Теплота испарения при температуре кипения, кДж/кг с U CL°u_ §£ г ™ W II h- +- Коэффициент объемного расширения при 20°С Нормальные парафиновые углеводороды Метан Пропан Бутан Пентан Продолжение таблицы 1.12 Изопарафиновые углеводороды бутан Олефиновые углеводороды Этилен (этен) Пропи леи (про Бутилен (бутен-1) Изобу тилен бутен) Другие газообразные топлива Водород Аммиак Ацети * С учетом диссоциации ГПАВА 1. ТОПЛИВО И ЕГО ЭКСПЛУА ТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА I ГПАВА 1 ТОПЛИВО И ЕГО ЭКСПЛУА ТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
калорийных эти газы отличаются большим содержанием водорода Н2 (25~50%) и меньшим содержанием метана (15“35%). Поскольку теплота сгорания единицы объема водорода меньше, чем метана (соответственно 9372 и 35797 кДж/м3), эти газы отличаются меньшей теплотой сгорания. Кроме того, в состав коксового и светильного газов входит в довольно большом количестве (10-20% и более) СО, имеющий объемную теплоту сгорания Ни, лишь немного большую (12029 кДж/м3), чем у водорода. Количество же азота N2 и его производных в коксовом и светильном газах значительно выше (10~20% и более), чем в высококалорийных газах. В этих газах в небольших количествах присутствуют также С02(3~6%), 02 (до 1%), H2S и пары воды. Для повышения теплоты сгорания коксового и светильного газов до уровня высококалорийных они могут быть подвергнуты обогащению (метанизации). При метанизации газы СО и Н2 в присутствии катализатора (Со, Ni и др.) обращаются в метан (СО + ЗН2 СН4 + Н20); одновременно удаляются сернистые соединения, кислород, органические соединения азота и другие вредные примеси. К среднекалорийным относятся также газы полукоксования (40-50% СН4, 5~10% Н2, Ни ~ 25000 кДж/м3) и побочные газообразные продукты производства синтетического каучука, содержащие кроме метана также непредельные газообразные углеводороды (Ни « кДж/м3). К низкокалорийным относятся доменный (колошниковый) и силовой (генераторный) газы. Доменный газ вырабатывается как побочный продукт технологического процесса на металлургических заводах. Генераторные газы получают путем высокотемпературной газификации полезных ископаемых органического происхождения (торф, бурый уголь и др.) и биомассы (древесина, отходы сельскохозяйственного производства, водоросли и др.). Основным горючим компонентом этих газов является оксид углерода СО (25~30%). Кроме горючей части, эти газы содержат в очень большом количестве (до 65% и более) негорючие компоненты, среди которых N2 (до 50% и более) и С02 (до 10—15% и более). Поэтому теплота сгорания таких газов очень невелика (3800-5000 кДж/м3). Однако при хорошей очистке и обогащении газ, полученный из биомассы, имеет НИ = 30000-35000 кДж/м3 и не уступает по этому показателю природному газу. Проводятся исследования по изучению пригодности биогаза для использования в газодизелях. Биогаз получают из органических отходов методом брожения. Биогаз на 40-80% по объему состоит из метана и на 20~55% - из углекислого газа. В небольших количествах, до 2%, в биогазе содержатся пары воды, до 3% - сернистый водород и менее 1% - азот и водород. Оценка пригодности биогаза для применения в дизеле производится на основе сравнения показателей его сгорания и метана (табл. 1.13). Таблица 1.13 Сравнительная характеристика биогаза и метана Показатели Биогаз Метан Теплота сгорания, МДж/кг газа Теплота сгорания стехиометрической смеси, МДж/м3 Потребность воздуха при стехиометрической смеси, кг воздуха/кг газа Граница воспламенения по се: богатой смеси бедной смеси Максимальная ламинарная скорость сгорания, м/с Метановое число Основным топливом остаются природные газы, добываемые из скважин газовых и газоконденсатных месторождений (см. табл. 1.11). После очистки от нежелательных примесей и обогащении (при необходимости) из природных газов получают газообразные топлива, заправляемые в баллоны под высоким давлением. Некоторые физико-химические свойства этих топлив, нормированные ГОСТ 27577-87 и ТУ 51-16.6-83, приведены в табл. 1.14. Основным компонентом сжатых (компримированных) природных газов является метан, содержание которого не должно быть ниже 90% для газа марки А и 85% - для марки Б (см. табл. 1.14). Содержание в них более тяжелых углеводородов ограничено с целью исключения образования отложений в агрегатах газовой аппаратуры. Содержание негорючих составляющих (N2/ 02, С02) также ограничено, поскольку их большая концентрация в газообразных топливах снижает теплоту сгорания. Так как при дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура значительно понижается и возможно выделение из газа кристалликов льда, во избежание закупорки льдом элементов системы топливоподачи производится тщательное обезвоживание газа. Лимитируется также содержание в газе коррозионно-агрессивных веществ - серы и ее соединений. Метан и богатые им горючие газы можно использовать в качестве топлива для транспортных двигателей не только в сжатом виде, но также и сжиженном при низкой температуре (ниже -162°С) и атмосферном давлении. Применение сжиженного природного газа позволяет значительно повысить энергоемкость этого вида топлива, но осложнено рядом обстоятельств. Стоимость сжиженного метана значительно выше, чем компри- Таблица 1 14 Сжатые (компримированные) газообразные топлива (ГОСТ27577-87, ТУ 51-16.6-83) Показатели Марка топлива Давление газа в баллонах, МПа, не менее Температура газа, подаваемого на заправку, °С, не более: для умеренной и холодной климатических зон для жаркой климатической зоны Компонентный состав, % (об.), не более: метан пропан бутан пентан диоксид углерода кислород
Концентрация, г/м3, не более:
сероводорода
меркаптановой серы
механических примесей
влаги*
Содержание сероводородной и меркаптановой серы.
% (мае.), не более
Относительная плотность по воздуху*, не более
Октановое число по моторному метопу, не менее
Низшая теплота сгорания, кДж/м3, не менее
Температура воспламенения, °С, не менее
608 ——________
*При1 = 15°С и р = 0.1 МПа.
мированного, а хранение более сложно: при обращении с жидкостью, имеющей температуру ниже -162°С, требуются особые меры предосторожности. Кроме того, при хранении и транспортировке сжиженного метана неизбежны потери вследствие испарения, достигающие 7,2~7,5% в сутки. Это не только приводит к потерям топлива, но и увеличивает по-жаро- и взрывоопасность. Поэтому сжиженный природный газ может получить применение на транспорте при удешевлении сжижения метана и усовершенствовании методов его хранения и транспортировки.
В качестве топлив для транспортных двигателей используются сжиженные пропан-бутановые фракции, получаемые главным образом при переработке нефтяного (попутного) газа, а также из природных газов газоконденсаторных месторождений, содержащих тяжелые углеводороды. Кроме пропана и бутана в состав этих топлив в небольшом количестве входят этан, этилен, пропилен, бутилен, изобутилен и изобутан (см. табл. 1.15).
Таблица 1.15
Сжиженные газообразные топлива (ГОСТ20488-80. ГОСТ27578-87)
Показатели
Марка топлива
СПБТЗ
СПБТЛ
Компонентный состав, % (мае.):
сумма метана, этана и этилена
сумма пропана и пропилена
сумма бутана и бутилена
Жидкий остаток при 20°С, % (об.), не более
Содержание сероводорода в 100 м3, г, не более
Содержание общей серы, % (мае.), не более
Давление насыщенных паров (избыточное), МПа:
при 45°С, не более
при 20°С, не менее
Примечание: при 40°С жидкий остаток во всех топливах должен отсутствовать. Топливо СПБТЗ (смесь пропана и бутана технических, зимняя) предназначено для зимней, а СПБТЛ (смесь пропана и бутана технических, летняя) ~ для летней эксплуатации. Используют также топливо, состоящее из бутана технического (БТ).
По сравнению со сжиженными природными газами (метаном) про-пан-бутановые фракции, имеющие относительно высокие критическую температуру и температуру кипения (см. табл. 1.12), сжижаются при нормальной температуре и сравнительно невысоком давлении (около 1,5 МПа). Некоторые физико-химические свойства этих топлив, нормированные ГОСТ 20488-80 и ГОСТ 27578-87, приведены в табл. 1.15.
Указанными выше нормативными документами предусмотрено отсутствие жидкого остатка (воды и других загрязняющих примесей) в баке при 40°С. В частности, наличие более тяжелых углеводородов (начиная с гексана С1бН14) приводит к образованию неиспаряющихся осадков и отложений в баке и газовой топливоподающей аппаратуре, что нарушает ее работу (например, газового редуктора). Параметры смеси пропана и бутана зависят от соотношения этих компонентов, что дает возможность эффективно изменять показатели топлива, приспосабливая его к заданным климатическим условиям. Кроме нормирования содержания в этих топливах различных углеводородов ограничивают также наличие в них коррозионно-активных соединений серы и давление насыщенных паров.
Принципиально возможно использование в качестве топлива водорода, аммиака, ацетилена и ряда других газов (см. табл. 1.12). Одной из основных проблем, сдерживающих применение этих газов на транспорте, является сложность и нерентабельность их получения и хранения в условиях эксплуатации.
Наибольший интерес вызывает использование водорода в качестве топлива для дизелей. Водород характеризуется высокой массовой теплотой сгорания, не образует вредных веществ в продуктах сгорания и имеет огромную сырьевую базу. Широкие концентрационные пределы воспламенения водородно-воздушных смесей (4~75% (об.)) позволяют обеспечить оптимальные условия его сгорания с позиции топливной экономичности, показателей динамики процесса сгорания, токсичности ОГ. Основная проблема использования водорода в качестве моторного топлива связана с его хранением. Температура кипения водорода равна 252,8°С (см. табл. 1.12). Поэтому хранить его на транспортном средстве можно в газообразном виде при обычных температурах и высоком давлении, в сжиженном виде при температурах ниже его температуры кипения или с использованием промежуточного носителя. Для эксплуатации наиболее рационально использование промежуточного носителя водорода. Такими носителями являются гидриды металлов (магния, ванадия, железа и др.) и их сплавы. Водород в них сохраняется в химически связанном состоянии и при необходимости извлекается из соединения при термическом, химическом или термохимическом воздействиях. Однако в настоящее время работы по переводу дизеля на водород пока не вышли из стадии отдельных лабораторных исследований.
Возможность использования газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания определяется его физико-химическими свойствами. Рассмотрим их более подробно.
Физико-химические свойства газовых топлив
Наиболее важными критериями пригодности газов в качестве топлива в газовых и газодизельных двигателях являются их детонационная стойкость и склонность к самовоспламенению в камере сгорания (КС) дизеля, теплотворная способность газов, содержание в них вредных веществ и механических примесей, физические свойства сжиженных газов (давление насыщенных паров, коэффициент объемного расширения, плотность, вязкость и сжимаемость жидкой фазы) и др. (см. табл. 1.12).
Важным свойством газообразных топлив является антидетонационная стойкость, оцениваемая октановым и метановым числами. Большая часть компонентов газообразных топлив имеют более высокие 04, чем автомобильные бензины (см. табл. 1.12), поэтому в газовых двигателях можно использовать на 20~25% большую степень сжатия и реализовать более высокий термодинамический КПД, чем в бензиновых.
Метановое число (МЧ) характеризует антидетонационные свойства топлив, находящихся при нормальных условиях в газообразном состоянии. Метан является очень стойким к детонации газом, и его МЧ принято равным 100. Водород, напротив, обладает крайне низкими антидетонаци-онными свойствами, и его МЧ принято равным 0. Метановые числа некоторых индивидуальных углеводородов - компонентов сжатых и сжиженных газов ~ приведены в табл. 1.12. Так как углекислый газ и азот термостойки, их наличие в больших количествах в горючих газах повышает МЧ. Например, МЧ природного газа составляет 70-100, рудничного газа -100-120, канализационного газа (биогаза) - 120-135, газа в хранилищах отходов, содержащего максимальное количество С02 и N2 -130...150. Исходя из эффективности использования в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением различных газов, предложена следующая ориентировочная оценка их пригодности в зависимости от МЧ: > 100 - очень хорошие; 85~100 - хорошие; 70~85 “ пригодные; 55~70 - трудноприменимые; < 55 - крайне трудноприменимые. Использование в двигателях газов с низкими значениями МЧ, например, коксового газа (МЧ 30~40) или смеси пропана и бутана (МЧ 20 - 35), требует внесения соответствующих изменений в регулировку двигателя, а иногда и в его конструкцию (изменение степени сжатия, формы КС и др.). Так, смесь пропана и бутана нашла применение в качестве топлива в автомобильных двигателях, но их мощность в этом случае получается меньшей, чем при использовании газов, стойких к детонации.
При использовании газовых смесей с высокими МЧ в газодизельных двигателях достаточно высокие мощностные показатели, топливная экономичность и показатели токсичности ОГ могут быть достигнуты при сохранении неизменной степени сжатия и воспламенении от запальной дозы дизельного топлива. Природные газы, имеющие МЧ от 70 до 100, используют только в газодизельных двигателях с подачей запальной дозы дизельного топлива. Применимы в качестве топлива для таких двигателей нефтяные газы с МЧ от 60 до 90. При использовании в дизелях газовых смесей с МЧ менее 55 (смесь пропана и бутана), имеющих пониженную термическую стойкость, возможна работа дизеля без запальной дозы дизельного топлива. Для дизелей, работающих на термостойких природных газах, запальная доза дизельного топлива составляет не менее 30% от общего его расхода.
Следует также отметить, что в газовых двигателях воспламенение и устойчивое горение газообразных топлив возможно при более высоких, чем у бензинов, коэффициентах избытка воздуха а. Так, при сгорании бензинов предельно допустимый диапазон изменения а составляет 0,3-1,75, для природного газа он равен 0,65-2,00, а для пропана -0,4-1#7. Поэтому газообразные топлива в большей степени, чем бензины, пригодны к работе двигателя на бедных смесях, и их можно сжигать с большей топливной экономичностью.
Рассмотренные свойства газообразных топлив в большей степени характеризуют возможность их использования в бензиновых двигателях с принудительным воспламенением, чем в дизельных двигателях. Одним из важнейших критериев пригодности газов в качестве топлива в дизельных двигателях является их ЦЧ-
У легких углеводородных газов (метан, этан и др.) ЦЧ = 3~8, а температура их самовоспламенения составляет 650“700°С. Поэтому сжигание природного газа в дизельных двигателях без дополнительного источника воспламенения (свеча зажигания, запальная доза дизельного топлива) теоретически возможно при значительном увеличении степени сжатия (в гипербарных двигателях), но практически трудноосуществимо. Следовательно, более предпочтительны в этом случае сжиженные про-пан-бутановые смеси, имеющие ЦЧ 16~25 и температуру самовоспламенения 550-600°С. Их сжигание по дизельному циклу с воспламенением от сжатия возможно при степенях сжатия 22 и выше или при использовании других методов повышения температурного уровня воздушного заряда и деталей КС.
Пропан и бутан имеют более высокую по сравнению с дизельными топливами термическую стабильность, что приводит к значительному увеличению продолжительности предпламенных реакций, т.е. увеличению периода задержки воспламенения (ПЗВ). Исследования, проведенные на вихрекамерном дизеле 1410,5/13 с теплоизолированной вихревой КС и уменьшенным УОВТ, показали, что устойчивое воспламенение пропановоздушной смеси возможно лишь на режимах, близких к номинальному. При использовании в аналогичных условиях бутана его устойчивое воспламенение оказалось возможным практически на всех эксплуатационных режимах работы дизеля. Однако отмечено более жесткое сгорание бутановоздушной смеси. На номинальном режиме ПЗВ в вихревой и основной КС составил соответственно 1,17 и 1,33 мс при работе на дизельном топливе и 2,08 и 1,9 мс при работе на бутане, т.е. при работе на бутане наблюдается начальное воспламенение смеси в основной КС. Последующий процесс сгорания бутановоздушной смеси сопровождается большими, чем при использовании дизельного топлива, значениями максимального давления сгорания pz и максимальной скорости нарастания давления соответственно на 12 и 14,5%.
ЦЧ пропан-бутановых смесей зависит от содержания в них этих двух углеводородов. Чистый бутан имеет ЦЧ, равное 25, пропан - 16. В смесях ЦЧ изменяется в указанных пределах практически по линейному закону (рис. 1.28, а). Одним из путей улучшения само-воспламеняемости про-пан-бутановой смеси в дизеле является введение в ее состав некоторого количества дизельного топлива. На рис. 1.28 б заштрихованная площадь, заключенная между кривыми 1 и 2, соответствует ЦЧ различных по составу смесей бутана с пропаном и дизельным топливом.
Так как для современных транспортных дизелей, не приспособленных к работе на различных топливах, минимально допустимым для нормального протекания рабочего процесса является ЦЧ, равное 40, а на топливах с ЦЧ 25-30, пуск холодного двигателя чрезвычайно затруднен, надежная работа дизеля на топливной смеси обеспечивается при содержании в ней 60-85% (об.) дизельного топлива и 15~40% (об.) пропан-бутановой смеси (см. рис. 1.28, б). Содержание дизельного топлива в смеси до 10% (об.) позволяет увеличить ее ЦЧ лишь до 22~29 (в зависимости от содержания бутана). Поэтому такой способ улучшения самовоспламе-няемости пропан-бутановой смеси является недостаточно эффективным.
Рис. 1.28. Зависимость ЦЧ сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом от их состава: а - смесь пропана и бутана; б - смеси пропана (1) и бутана (2) с дизельным топливом; Сс4ню - концентрация бутана в смеси; Сдт - концентрация дизельного топлива
Более эффективным путем улучшения самовоспламеняемости сжиженных газов является введение в них присадок, интенсифицирующих горение. При добавлении в стандартное дизельное топливо 1-1,5% (об.) такой присадки их ЦЧ увеличивается на 6~12 единиц. Такой же прирост ЦЧ пропан-бутановой смеси возможен при введении в нее 40~50% (об.) дизельного топлива (см. рис. 1.28, б). В качестве присадок, повышающих ЦЧ пропан-бутановой смеси, применяют бутилнитрат, гидропероксид ку-мола и др. Введение в топливную смесь 1-1,5% присадки повышает ее ЦЧ на 5”10 единиц (рис. 1.29, а). В связи с тем, что введение дизельного топлива в топливную смесь необходимо для смазки деталей топливоподающей аппаратуры, минимальное количество его ограничивается, а дополнительное улучшение самовоспламеняемости смеси достигается введением соответствующих присадок. Так, добавление в пропан-бутановую смесь 15% (об.) дизельного топлива повышает ее ЦЧ на 8 единиц, а дополнительное введение 1-1,5% (об.) бутилнитрата увеличивает его еще на 6~8 единиц (рис. 1.29). 6 Зак. 2160 Одним из наиболее существенных недостатков применения газообразных топлив в газовых двигателях является уменьшение их мощности, обусловленное в основном меньшей теплотворной способностью этих топлив по сравнению с жидкими нефтяными. Это относится в первую очередь к двигателям без наддува. Так, низшая теплота сгорания природного газа    составляет 33000-37000 кДж/м3, пропана - 91250 кДж/м3, изомеров бутана - не менее 115000 кДж/м3, но для сгорания 1 м3 указанных газовых топлив требуется соответственно 9,65; 23,8 и 30,9 м3 воздуха (см. табл. 1.11,1.12). Поэтому подаваемая в цилиндры двигателя газовоздушная смесь стехиометрического состава имеет теплоту сгорания 3230 кДж/м3 для природного газа, 3460 кДж/м3 для пропана и 3410 кДж/м3 для бутана. Сяж 4 }
2 Сбн, Сгпк, % (об.) 2 Сбн, % (об.)
Рис. 1.29. Зависимость ЦЧ сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом от содержания присадки: 1 ~ бутан; 2 ~ пропан; 3 ~ смесь бутан + пропан 4-15% (об.) дизельного топлива; 4 ~ смесь бутан + пропан; Сбн ” концентрация бутилнитрата; Сгпк -концентрация гидропероксида кумола
Проведенные исследования газового двигателя с рабочим объемом цилиндра Vh -12 л без наддува, работающего на газовоздушных смесях стехиометрического состава (а = 1) на скоростном режиме п — 1000 мин'1, показали, что при Ни > 15000 кДж/м3 теплотворная способность газовоздушных смесей и мощность двигателя меняются незначительно при изменении вида газового топлива (рис. 1.30). Так, при переводе двигателя с природного газа на биогаз, а затем и на светильный газ, что соответствует снижению теплотворной способности газа с 35500 до 17000 кДж/м3, теплотворная способность газовоздушной смеси сохранилась на уровне 3300 кДж/м3, а цилиндровая мощность двигателя уменьшилась всего с 82 до 78 кВт. При использовании в качестве топлива генераторного газа с Ни= 5000 кДж/м3 эти характеристики снижаются соответственно до 2300 кДж/м3 и 52 кВт/цил. Поэтому работа двигателя на низкокалорийных газах крайне нежелательна. Уменьшения мощности двигателя, работающего на газовом топливе, можно избежать при применении турбонадцува и внутреннего смесеобразования (качественного регулирования двигателя). Наиболее просто это можно осуще- N кВт ствить в газодизельных с' ю двигателях, в которых 70 внутреннее смесеобразование позволяет подавать в КС необходимое количество газового топлива, а турбонаддув обеспечи- 30 вает подачу в цилиндры двигателя требуемого воздушного заряда. По- зооо этому в этих двигателях 2000 возможно получение юоо мощности, в 1,3—1,4 раза превышающей мощность двигателя, работающего на штатном дизельном    Л    \    , L0, м3/м3 10 8 6 4 2 10000    2000    3000 Нц, кДж/м3 ас. 1.30. Зависимость теплотвосной
способности газовоздушнои смеси Нигм, топливе, т.е. теплотворная    *    - г теоретически необходимого для сгорания 1 спосоон ость га за не явля- ^ топлива количества воздуха L0 и средней ется критерием ограниче- эффективной мощности А/е газового н и я м о щ н ости га з од и з е л ь - д вига телЯг работающего при п — 7000 мин~1 ных двигателей.    и a = 1, от теплотворной способности газа Ни Применение газовых топлив в газовых и газодизельных двигателях возможно лишь при ограниченном содержании в них вредных веществ и механических примесей. К числу указанных относятся содержащиеся в газе влага, сероводород и другие сернистые соединения, а также хлор и фтор. Содержание в газах указанных веществ или их продуктов сгорания может привести к трудностям в организации эффективного рабочего процесса, снижению заданных мощностных и экологических показателей, уменьшению срока службы деталей двигателя и смазочного масла. Для уменьшения износа деталей двигателя необходимо обеспечить очистку газа от пыли и других механических примесей. В транспортных установках загрязненность газовоздушной смеси достигает 0,15 г/м3. Фирма «Дейтц» (ФРГ) допускает содержание пыли в газах, возникающих при хранении и переработке отходов, до 0,025 г/м3. Причем допустимое содержание механических примесей в газе зависит от его теплотворной способности, которая обратно пропорциональна расходу газа. Так, для газов с низкой теплотворной способностью (например, генераторный газ) содержание механических примесей ограничивается значением 0,01 г/ м3, вто время как для природного газа оно может составлять 0,05 г/м3. Кроме рассмотренных физико-химических свойств газообразных топлив при оценке возможности их использования в газовых двигателях применяют и ряд других параметров: теплоту испарения, теплоемкость, склонность к нагарообразованию и т.д. (см. табл. 1.12). Отдельно следует рассмотреть физические свойства сжиженных газов (пропан-бутановых смесей), подача которых в КС дизеля в жидкой фазе принципиально возможна штатной топливоподающей аппаратурой дизельных двигателей (при некоторой ее модификации). Наиболее важными из этих свойств, оказывающими значительное влияние на процесс топливоподачи, являются давление насыщенных паров газов, их плотность, вязкость и сжимаемость. Сжиженные газы могут подаваться в цилиндры двигателя в газовой и жидкой фазах. В первом случае топливо поступает к двигателю под давлением паров газа в баллоне, поэтому величина этого давления имеет важное значение. Не менее значим этот параметр и при подаче газового топлива в КС дизеля в жидкой фазе штатным ТНВД дизеля. В этом случае высокое давление насыщенных паров может привести к образованию паровоздушных пробок в линии низкого давления системы топливоподачи и нарушению ее нормальной работы. Для надежной подачи топлива в газовой фазе в КС двигателя в баллоне со сжиженным газом должно быть избыточное давление не менее 0,035-0,05 МПа в широком диапазоне температур окружающего воздуха. Сжиженные газы хранятся в баллонах, рассчитанных на сравнительно небольшое давление (около 1,6 МПа), поэтому ограничивается и максимальное давление насыщенных паров. -40    0 40 80 f С
Углеводороды, входящие в состав сжиженных газов, значительно различаются по давлению насыщенных паров (рис. 1.31), что позволяет производить сжиженные газы, соответствующие времени года и климатическим условиям применения. Давление насыщенных па- Рис. 1.31. Зависимость давления ров пропан-бутановых смесей в зависи-    насыщенных паров мости от концентрации компонентов мо- углеводородов, входящих в состав жет изменяться в диапазоне, ограничен- сжиженных газов, от температуры: ном кривыми 4 и 6 на рис. 1.31. Сжижен- 1 ~э™леъ 2 - этан; 3 - пропилен; -    _    4 ~ пропан; 5 - изобутан; ныи газ, содержащим в основном пропан    б~н-бутан- (более 70%), хорошо отвечает требова- 7 - бутилен; 8 - пентан ниям зимней эксплуатации (см. топливо СПБТЗ в табл. 1.15). В летний период необходимо увеличивать содержание в смеси бутана (см. топливо СПБТЛ в табл. 1.15). При переводе дизеля с дизельного топлива на сжиженный газ, подаваемый в жидкой фазе в КС топливным насосом высокого давления, наблюдаются уменьшение коэффициента подачи ТНВД и снижение массовой цикловой подачи топлива (ЦПТ), обусловленные высокой испаряемостью сжиженного газа, его меньшими плотностью и вязкостью и большей сжимаемостью. Сжиженный газ легко переходит в газообразное состояние при падении давления в процессе наполнения надплунжерного пространства ТНВД, в результате чего оно заполняется смесью жидкой и паровой фаз газового топлива. Наличие паровой фазы приводит к снижению коэффициента подачи, так как часть активного хода плунжера затрачивается на сжатие ее до давления конденсации, что приводит к снижению ЦПТ и даже выключению подачи. Избежать этого можно путем повышения давления топлива в линии низкого давления - давления подкачки, обеспечивающего повышение скорости поступления топлива в надплунжерную полость и минимизацию паровой фазы. Для определения требуемого давления подкачки смесей дизельного топлива и сжиженного газа могут быть использованы данные, показывающие зависимость минимального давления подкачки (при котором обеспечивается бесперебойная подача топлива) от температуры топливной смеси (рис. 1.32). Представленная зависимость показывает, что при работе на чистом сжиженном газе (кривая 5) при нормальной температуре смеси (20°С) давление подкачки должно быть не ниже 0,9~1,0 МПа. Другим фактором, оказывающим влияние на процесс топливоподачи (в частности, на ЦПТ) с помощью ТНВД сжиженных газов и их смесей с дизельным топливом, является заметное отличие их плотности, вязкости и сжимаемости от соответствующих свойств дизельного топлива. Так, если плотность дизельных топлив по ГОСТ 305-82 при нормальных условиях изменяется в пределах 800-850 кг/м3, то для углеводородов, входящих в состав сжиженных газов, этот диапазон составляет 500-630 кг/м3 (при давлении около 1,5 МПа, рис. 1.33). При этом следует отметить более выраженную зависимость плотности сжиженных газов от температуры по сравнению с жидкими нефтяными топливами. Важной для эксплуатации особенностью сжиженных газов является их относительно высокий коэффициент объемного расширения. Так, плотность жидкого пропана при 0°С равна 530 кг/м3, а при 50°С - 460 кг/м3, т.е. его удельный объем возрастает на 15,4%. Это приводит к необходимости наличия большого (до 10-15%) свободного объема в топливных баллонах. При эксплуатации этот объем заполнен парами углеводородов, Рпод, МПд Рис. 1.32. Зависимость минимального давления подкачки от температуры топливных смесей: 1 ~ ДЛ; 2 - 50% (об.) ДЛ + 50% (об.) сжиженного газа; 3-30% (об.) ДЛЧ-70% (об.) сжиженного газа; 4 - 15% (об.) ДЛ +85% (об.) сжиженного газа; 5 ~ сжиженный газ (50 % (об.) бутана +50% (об.) пропана) входящих в состав сжиженных смесевых топлив. Однако отбор газового топлива необходимо организовать в жидкой фазе. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объема недопустима, так как это приводит к переохлаждению топлива (из-за затрат теплоты на испарение) и неравномерному расходу компонентов, входящих в его состав. В первую очередь расходуются компоненты, обладающие наибольшим давлением насыщенных паров - пропан и пропилен. Это приводит к изменению свойств сжиженных смесей и может вызвать нарушение работы топливоподающей системы. Рт, нг/м3 Рис. 1.33. Зависимость плотности углеводородов парафинового и олефинового рядов в сжиженном виде от температуры: 1 ~ н-пентан; 2 ~ изопентан; 3 - н-бутилен и изобутипен; 4 ~ н-бутан; 5 ~ изобутан; 6 ~ пропилен; 7 ~ пропан
По сравнению с дизельным топливом сжиженный газ имеет меньшую кинематическую вязкость (рис. 1.34), что приводит к увеличению утечек топлива в ТНВД и форсунках и ухудшению условий работы прецизионных пар топливоподающей аппаратуры. Для предотвращения повышенного износа плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей форсунок, обусловленного меньшей вязкостью сжиженного газа (около 0,3 мм2/с:, т.е. в 10-20 раз меньше, чем у дизельного топлива), в сжиженный газ вво- дят 5~10% (об.) дизельного топлива или моторного масла. Масло и дизельное топливо хорошо растворяются в сжиженном газе, образуя устойчивые смеси с более высокой вязкостью. Это не только улучшает смазывающие свойства топлива, но и облегчает его воспламеняемость в КС дизеля. Сжимаемость (коэффициент сжимаемости) пропан-бутановых смесей при 20°С и давлении в баллоне около 1,5 МПа составля-ета= (350_400) -10'11 Па'1 (рис. 1.35, а), что в 5~7 раз превышает сжимаемость дизельных топлив. Причем с увеличением температуры топлива эта разница заметно возрастает. -30 ~10 10 30 fC Рис. 1.34. Зависимость вязкости топливных смесей от температуры: 1 ~ топливо 3 (ГОСТ305-82); 2 ~ 50% (об.) сжиженного газа +50% (об.) топлива 3; 3 ~ 75% (об.) сжиженного газа +25% (об.) топлива 3; 4 ~ 85% (об.) сжиженного газа + 15% (об.) топлива 3; 5 - сжиженный газ (50% (об.) бутана + 50% (об.) пропана)
V 1011, Па'1 10 20 р,МПа 0 10 Рис. 1.35. Зависимость коэффициента сжимаемости топливных смесей от давления при 90 (Т), 70 (2), 50 (3), 30 (4) и 10°С (5): а ~ сжиженный газ (45,88% (об.) бутана + 54,12% (об.) пропана); б ~ 80% (об.) сжиженного газа +20% (об.) топлива Л; в - 40% (об.) сжиженного газа +60% (об.) топлива Л; г~ 60% (об.) сжиженного газа +40% (об.) топлива Л
а, - 1011, Па'1 700 500
Повышенная сжимае- мость сжиженных газов, обусловленная их легким фракционным составом и повышенной испаряемостью входящих в них углеводородов, неблагоприятно сказывается на процессе топливоподачи, приводя к уменьшению ЦПТ и полному выключению подачи, особенно на режимах с неполной нагрузкой. Добавление в сжиженный газ дизельного топлива с целью увеличения его вязкости и улучше- ния воспламеняемости благоприятно сказывается и на сжимаемости топлива (рис. 1.35, б, в, г). Так, сжимаемость смеси, состоящей из 80% (об.) сжиженного газа и 20% (об.) топлива Л, на 25~35% ниже сжимаемости чистой пропан-бутановой смеси (см. рис. 1.35, б). Совместное влияние трех рассмотренных физических свойств сжиженных газов и их повышенная испаряемость приводят к значительному уменьшению ЦПТ, достигающему 50% при работе на номинальном режиме. Избежать значительного уменьшения ЦПТ при работе на сжиженных газах, подаваемых в КС дизеля штатным ТНВД, возможно либо путем корректирования ЦПТ с помощью корректирующих устройств, либо путем замены серийных плунжерных пар парами большего диаметра. Сжиженные газы обладают высокой теплотой испарения, превышающей в 1,5~1,7 раза теплоту испарения дизельного топлива (см. табл. 1.12). Поэтому подача в КС сжиженного газа и его последующее испарение приводят к значительному охлаждению воздушного заряда, положительно влияющему на экологические показатели дизеля. Газовые топлива могут подаваться в цилиндры двигателей из баллонов, как со сжатым, так и со сжиженным газом. Кроме того, физические свойства этих топлив отличаются от физических свойств традиционных нефтяных топлив (дизельных, керосинов и др.). Все эти факторы приводят к тому, что применяемые в дизелях системы топливоподачи не могут обеспечить подачу газообразного топлива в КС. Следовательно, необходимы оригинальные системы топливоподачи для газовых и газодизельных двигателей, отличающихся от классических систем топливоподачи. 1.12. Применение в дизелях топлив на основе переработки угля Проблема экономии нефтяных ресурсов может быть решена за счет использования угля как источника для получения моторных топлив. Бурый уголь Канско-Ачинского месторождения характеризуется низкой зольностью (4~8%), малым содержанием серы (0,3_0,72) и высоким содержанием летучих соединений (48—51%). Работы по получению синтетических жидких топлив из угля и горючих сланцев интенсивно проводятся в США, ФРГ, Японии, Великобритании, ПНР и др. Технология получения топлива из угля Методы переработки угля в синтетическое топливо могут быть разделены на три основные направления: гидрогенизация, газификация и термическая обработка. Гидрогенизация реализована в процессах СРЦ, конечным продуктом которых является малосернистое котельное и моторное топливо. Ведутся работы по осуществлению процессов газификации угля. Исследования по получению синтетических жидких топлив (СЖТ) ведутся в России по двум направлениям: гидрогенизация угля и термическая обработка по способу высокоскоростного пиролиза угля, разработанного Энергетическим институтом им. Кржижановского. В результате осуществления переработки Канско-Ачинского угля по этим процессам получается сырой продукт - смола, который требует дополнительного облагораживания для получения качественного стабильного топлива. Характеристика синтетических жидких топлив и практика их применения В результате переработки углей получаются моторные топлива: бензин, реактивное топливо, дизельное топливо, а также продукты для нефтехимической промышленности. Качество жидких топлив зависит от технологии получения: первичные продукты переработки угля близки к сырой нефти, гидроочищенные продукты - к стандартным нефтяным топливам. Исследования направлены на поиск эффективных катализаторов процессов гидроочистки для улучшения характеристик СЖТ, в частности, снижения содержания в них ароматических углеродов и повышения цетанового числа. По способу «Фарбен» (ФРГ) переработки угля, содержащего летучих 38,7%, серы 1,02%, и имеющего зольность 6,2%, получено жидких продуктов - 57,0%, в том числе до 200°С - 12,8%, 200~325°С - 27,7%, выше 325°С “ 16,5%. При двухступенчатой обработке угля - сжижением и гидрогенизацией - получают (на сухой уголь) газов (СГСД) ~ 5,2%, нефти - (С5-199°С) -7,4%, средних дистиллятов (199“343°С) - 38,8%, тяжелых дистиллятов (>343°С) -9%; всего дистиллятных фракций - 55,2%. Облагораживание угольных дистиллятов снижает содержание фенолов, непредельных и азотосодержащих соединений. По физико-химическим показателям дистилляты, полученные при переработке угля, в сравнении с нефтяными топливами имеют высокое содержание ароматических соединений, кислорода, азота (табл. 1.16). Процесс высокоскоростного пиролиза, разработанного в России, позволяет получать 10—16% (на органическую массу угля) смолы, которая нестабильна при хранении из-за высокого содержания ароматических, непредельных, сернистых соединений и требует дополнительной обработки. При гидрогенизации угля выход дизельного топлива составляет 24,5%, газотурбинного - 3,2%. Характеристики синтетических жидких топлив Показатели «Аш-коал», средние дистилляты СРЦ, растворимые в органических соединениях СРЦ, водорастворимые СРЦ, растворимые в воде и органических соединениях Пределы кипения, °С Содержание ароматических углеводородов, % Вязкость при 40°С, Коксуемость по Конрадсону, % Элементарный состав, %: водород Содержание серы, % Синтетическое жидкое топливо имеет (в скобках ~ аналоги^ ные ве V.
личины для малосернистого топлива из западно-сибирской нефт. , новое число ~ 43(46), вязкость при 20°С - 5,5(4,01) мм2Д, темг^ ' цета застывания “15(_27)°С, помутнения -6(-14)°С, плотность прц 863(839) кг/м3.    L “ Фракции 300~500°С нестабильны: при хранении образуется 1^лотный осадок. Из-за отсутствия отработанного промышленного способу ния СЖТ данных по испытаниям их на двигателях мало. Отмеч/1011^40 с    ’^но, что эксплуатационные характеристики близки к характеристикам, ным при работе на дизельном топливе. Опытное топливо имее^011^4014 к ^    с    г низкое цетановое число, поэтому для его воспламенения необходимо ^ вать от 3 до 4% дизельного топлива. Зафиксировано более выс^^ое со держание окислов азота в выпускных газах, что требует введе^ ветствующих присадок. Испытание топлива, полученного сжижением каменного угл^ дено на одноцилиндровом отсеке двигателя 12,8/15,0 с непоср* ' пРове ным впрыском топлива, при степени сжатия 16. Работа двигател^ тетическом топливе в сравнении с нефтяным показала, что удель цы- ^ ход топлива, дымность и токсичность выпускных газов на обоих топливах близки, так как физико-химические свойства синтетического топлива находятся на уровне нефтяного: цетановое число 46 и 45, коксуемость 0,11 и 0,2%, при 357°С перегоняется 98 и 90%, температура вспышки 39°и 55°С соответственно. Отмечается возможность использования топлив, полученных из угля, в стационарных СОД в смеси с дизельным топливом в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, при сохранении токсичности выпускных газов на требуемом уровне. Для сохранения ресурса и надежности двигателя при работе на топливе из угля с низким це-тановым числом необходимо улучшить воспламеняемость топлива, что достигается нагревом воздуха на впуске, повышением давления наддува, увеличением угла опережения впрыска, добавлением присадок. Фирма SEMT-Pielstick исследовала применение в своих двигателях топлив, полученных из угля. Испытания проводились с топливами SRS-II (облагороженный растворителем уголь) и из каменноугольной смолы. Первый продукт получается посредством дистилляции смеси из размолотого угля и гидроароматика в качестве растворителя в виде трех характерных фракций - легкого, среднего и тяжелого дистиллята. К этому продукту возрос интерес как к альтернативному топливу для дизелей. При коксовании каменного угля при средней температуре 1000°С образуется каменноугольная смола, которая преимущественно состоит из ароматических углеводородов. Посредством ее дистилляции получается наряду с другими веществами жидкое топливо. Рассматриваемые топлива отличаются средним отношением водород-углерод (1,3 и 1,63) соответственно, стоимость второго продукта ниже. К их недостаткам относятся очень низкое цетановое число, плохая смазывающая способность и неприятный запах. Кроме того, они оказывают неблагоприятное воздействие на человека и некоторое детали двигателя (уплотнения, шланги). Испытания проводились на одноцилиндровом отсеке четырехтактного дизеля РА6 (ЧН28/29) с номинальной частотой вращения 1000 мин'1 и мощностью 294 кВт, возможностью двойного впрыска, наддувом турбокомпрессором и дополнительной воздуходувкой с электрическим приводом. Двигатель работал на смеси рассматриваемых топлив с газойлем в различных соотношениях. Установлено, что без особых изменений возможна работа на смеси, содержащей до 80% SRC-II. При этом, однако, наблюдается увеличение задержки воспламенения вследствие более низкого цетанового числа смеси. Соответствующее изменение скорости и начала впрыска позволяет сжигать смеси с еще большим содержанием SRC-II. Другим способом является применение двойного впрыска - предварительного впрыска определенного количества газойля и основного впрыска чистого или смешанного SRC-II. В последнем случае хорошие эксплуатационные характеристики можно получить на смесях, содержащих до 90% SRC-II, причем общее количество газойля, участвующего в сгорании, не превышает 20%. При работе на топливе из каменноугольной смолы в смеси с газойлем наблюдается увеличение периода задержки воспламенения, скорости нарастания давления при сгорании, температурного уровня камеры сгорания. Эти различия уменьшаются при повышении мощности двигателя. Смесеобразование и сгорание можно существенно улучшить, если сдвинуть начало и увеличить продолжительность впрыска. Анализы смазочного масла до и после серии испытаний показали значительное снижение щелочности и возрастание содержания нерастворимых в бензоле и пентане компонентов. Испытания показали, что ни в двигателе, ни в трубопроводах не образуется никаких особых отложений. Глава 2 ТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Топливная система - это совокупность устройств и агрегатов для питания дизеля топливом. Топливная система состоит из топливных систем высокого и низкого давлений и топливной аппаратуры. Топливная система низкого давления представляет часть топливной системы дизеля для подготовки и подачи топлива к топливной системе высокого давления и включает в себя цистерны, фильтры, насосы, смесители, сепараторы, гомогенизаторы, подогреватели и топливопроводы. Топливная система высокого давления - это часть топливной системы дизеля для нагнетания топлива в камеры сгорания. Система высокого давления осуществляет впрыскивание топлива в камеру сгорания двигателя и включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунку, обычно соединенные топливопроводом высокого давления. При применении насос-форсунок топливопровод высокого давления отсутствует. На состав системы низкого давления существенное влияние оказывает применяемое топливо. 2.1. Предварительная обработка и подача топлива к дизелям Для обеспечения надежной работы топливной аппаратуры судовых дизелей топливо проходит предварительную обработку, заключающуюся в отстаивании, сепарировании, фильтрации, подогреве тяжелого топлива, а иногда и предусматривающуюся химическую, гидродинамическую, магнитную и другие методы. После предварительной обработки топливо подается к дизелям. Особое внимание предварительной очистке уделяется при использовании в дизелях тяжелых топлив. Судовая топливная система в соответствии с ее функциями условно может быть разделена на три подсистемы: приема и хранения топлива, топливо-обработки и подачи топлива к двигателям. В данном разделе основное внимание уделяется рассмотрению двух последних подсистем. Первая подсистема достаточно подробно изложена в технической литературе по судовой топливной системе. Предварительная обработка осуществляется для удаления из топлива механических примесей и воды, улучшения агрегатного состояния топлива, снижения его коррозионной агрессивности, повышения способности топлива к самовоспламенению и сгоранию. Наиболее широко распространены традиционные способы обработки топлива на судах, предусматривающие очистку его от механических примесей и воды путем использования: ♦    гравитационных сил (отстаивание в емкостях); ♦    центробежных сил (обработка с помощью центрифугирующих устройств - сепараторов); ♦    полупроницаемых (фильтрующих) материалов (обработка в фильтрующих устройствах); ♦    гомогенизаторов, разрушающих сгущения и агломераты. Отстаивание топлива На механические частицы и глобулы воды, находящиеся в жидкости, действуют гравитационная сила (сила тяжести) и выталкивающая (архимедова) сила, направленная в противоположную сторону. Если в результате взаимодействия этих сил наблюдается выпадание взвешенных частиц в осадок, это явление можно использовать для очистки топлива от механических загрязнений и воды. Такой процесс получил название отстаивания, или седиментации. Отстаивание топлива производится в специальных цистернах, а воду и осевшую грязь удаляют снизу через спускной кран. Отстаивание - это наиболее простой метод очистки нефтяных топлив от загрязнений при условии достаточного различия в значениях плотности загрязнений, воды и нефтяного топлива. Осаждение механических примесей в гравитационном поле жидкости происходит под действием собственного веса и подчиняется законам падения тел малого размера в среде, оказывающей сопротивление их движению. Как известно, вязкость топлива может меняться в широком диапазоне и является тем показателем, на который можно влиять в процессе эксплуатации на борту судна путем подогрева. Расчеты показывают, что время осаждения механических примесей одинакового размера в мазуте, имеющем вязкость 20°ВУ при 50°С, примерно в 12—15 раз больше, чем в дизельном дистиллятном топливе. Аналогичны соотношения и для времени осаждения глобул воды, если только частицы воды не образуют стойкой водотопливной эмульсии. В последнем случае даже при малой вязкости топлива осаждения водяных глобул не происходит. Естественно, что при спокойном состоянии цистерны качество очистки выше. Если в стационарных установках создать благоприятные условия для отстаивания не представляет особых трудностей, то на судне сложнее выполнить все эти требования, и поэтому качество очистки значительно ниже. На основании изложенного можно сделать следующие выводы: ♦    по своей эффективности отстаивание топлива как метод подготовки в последнее время теряет свое значение на флоте, особенно для высоковязких топлив; ♦    наиболее эффективно отстаивание может применяться для очистки мало - и средневязких топлив; ♦    отстаивание топлив является вспомогательным способом очистки. Процесс отстаивания дизельного топлива происходит довольно быстро, в то время как отстаивание тяжелых высоковязких топлив протекает медленно и не всегда удовлетворительно. Этому мешает высокая вязкость топлива. Для ее снижения топливо в цистерне подогревают паровыми змеевиками до 70°С, если температура вспышки топлива выше 85°С. При меньших значениях tBcn во избежание пожара температура подогрева не должна превышать (tBCn ~ 15°С). Это условие выбора максимально допустимой температуры подогрева топлив распространяется для всех видов подогревателей, сообщающихся с атмосферой. Температурный режим в отстойной цистерне должен носить стабильный характер без резких колебаний температуры, в противном случае возникающие конвективные токи будут препятствовать процессу осаждения. Большинство тяжелых топлив содержат значительные количества асфальтосмолистых соединений, обладающих высоким поверхностным натяжением, что способствует образованию стойких водотопливных эмульсий и тем самым препятствует выпаданию воды в осадок. Прочность эмульсии бывает настолько высока, что она не разбивается даже в сепараторах, и вода остается в виде глобул, окруженных прочной оболочкой из топлива. В этом случае рекомендуется применять антиэмульгирующие присадки к топливу или оставлять воду в топливе, если ее содержание не превышает 3% (морская) и 5% (пресная). Но перед подачей обводненного топлива в дизель необходимо прогнать его несколько раз насосом по замкнутому контуру, что уменьшает размер глобул воды до 15~20 мкм. Отстаивание эффективно только при использовании топлив невысокой вязкости (12~20 мм2/с), причем его эффективность зависит от высоты столба топлива и марки топлива (рис. 2.1, а). Например, для экспортного мазута М2,0 при температуре подогрева 60°С обеспечивается вязкость 45 мм2/с. Следовательно, при уровне топлива в цистерне 3 м эффективность отстаивания при длительности 24 ч составит по воде а = 0,25, по механическим примесям о = 0,1. Эффективность отстаивания невозможно получить более о = 0,35 по воде и а = 0,2 по механическим примесям из-за ограничения по температуре подогрева топлива. Эффективность отстаивания а - это отношение разности между количеством механических включений (воды) до и после отстаивания к количеству включений до отстаивания. Сепарирование топлива Сепарирование топлива осуществляется в сепараторах, действие которых основано на отделении механических примесей и воды благодаря центробежным силам, возникающим из-за большой частоты вращения барабана. В системах топливоподготовки находят применение сепараторы дискового и трубчатого типов. Сепараторы более ранних выпусков требуют периодической разборки и очистки вручную и поэтому для сепарации тя-вок (рис. 2.72), топливо из бункерных цистерн перекачивается насосами в отстойные цистерны, откуда через сепараторы 1 оно подается в расходные цистерны дизельного 2 или тяжелого топлива 3. Для обеспечения эффективной предварительной очистки, топливо перед сепарированием подогревается до 95~98°С. Из одного из расходных баков топливо подкачивающими насосами 4 подается под давлением около 0,4 МПа в топливную систему низкого давления. Перепускной клапан 5 при этом должен быть отрегулирован на давление немного выше 0,4 МПа. После этого топливо поступает к одному из двух циркуляционных насосов б с электроприводом, а от него через подогреватель 7 и полнопоточный ФТО 8 к ТНВД. После подогревателя устанавливаются датчик с установкой измерителя на 10—15 сСти регулятор вязкости, который вырабатывает импульс на паро-перепускной клапан подогревателя, или может быть использован регулятор температуры. ФТО и датчик регулятора вязкости устанавливаются как можно ближе к двигателю, а сетка ФТО должна иметь размер ячейки 50 микрон. Возвратное топливо от форсунок и ТНВД отводится через трубопровод 9, деаэрационный бак 10 с автоматическим клапаном 11 к всасывающей стороне циркуляционных насосов. С целью поддержания постоянного давления на входе в ТНВД производительность циркуляционного насоса должна превышать максимальный расход топлива двигателем. Кроме того, предусматривается пружинный перепускной клапан 12, действующий как байпас между входом топлива в ТНВД и возвратом, что также обеспечивает постоянное давление топлива на входе в двигатель 0,7~0,8 МПа. Для обеспечения такого давления пружинные байпасные клапаны 13 циркуляционных насосов регулируются на давление открытия 1,0 МПа. При работе двигателя на тяжелом топливе подводящие трубопроводы снабжаются оболочками, через которые пропускается пар (паровые спутники), а трубки, отводящие топливо и дренажи, обогреваются горячей водой из системы охлаждения двигателя. При всех нагрузках двигателя, включая и остановку, через ТНВД и форсунки обеспечивается поток подогретого топлива. Благодаря такой циркуляции, детали топливной аппаратуры поддерживаются при рабочей температуре. Поэтому нет необходимости переходить на дизельное топливо при заходе в порт, если циркуляционный насос и прокачка топлива продолжаются все время. Если во время длительной стоянки необходимо остановить циркуляционный насос или подогрев, то прежде всего следует осушить систему от тяжелого топлива. В процессе работы дизеля может потребоваться переход с тяжелого топлива на дизельное. В целях защиты топливной аппаратуры от резких изменений температуры, которое может вызвать заклинивание ТНВД, форсунок и всасывающих клапанов, переход необходимо выполнять следующим образом: ♦    подогреть, если возможно дизельное топливо в расходном баке прибли зительно до 50°С; ♦    перекрыть подвод пара к подогревателю и паровым спутникам; ♦    снизить нагрузку двигателя до 75% от максимально длительной мощности (МДМ); ♦    перейти на дизельное топливо, изменив положение крана вида топлива 14 (см. рис. 2.72), чтобы дизельное топливо поступало к подкачивающим насосам. Переход следует осуществлять, когда температура тяжелого топлива в подогревателе снизится приблизительно на 25°С, но не ниже 75°С и будет выше температуры дизельного топлива в расходной цистерне. Обратный переход во время работы дизеля, по выше приведенным причинам, осуществляется также на сниженной мощности до 75% МДМ. Прежде всего необходимо убедиться, что температура тяжелого топлива в расходной цистерне соответствует требуемой. Затем, при помощи парорегулирующего клапана вискозиметром обеспечить нагрев дизельного топлива до максимума (60~80)°С со скоростью 2°С в минуту. Вязкость дизельного топлива не должна снижаться ниже 2 сСт, так как возможно заедание и даже схватывание деталей из-за потери смазывающих свойств топлива. Во время перехода температура тяжелого топлива в расходной цистерне не должна быть выше температуры подогретого дизельного топлива более чем на 25°С. Когда требования к температурам выполнены, переход на тяжелое топливо производится поворотом крана переключения вида топлива. Затем температуру тяжелого топлива следует повышать со скоростью приблизительно 2°С в минуту до получения требуемой вязкости. Вспомогательные дизели (ВД) могут работать как на дизельном, так и на тяжелом топливе (см. рис. 2.72). При работе на дизельном топливе оно подается бустерным насосом 15, а поступление тяжелого топлива отключается краном 16. Если ВД могут работать на тяжелом топливе, то оно поступает от магистрали питания ГД после подогревателя. Топливные системы среднеоборотных и высокооборотных дизелей В настоящее время среднеоборотные тронковые дизели успешно эксплуатируются на тяжелых сортах топлива. Высоковязкие топлива вплоть до мазутов могут применяться в двигателях с диаметром цилиндра более 250 мм при обеспечении времени, необходимого для сгорания, и обязательном подогреве с целью обеспечения нормальной работы топливоподающей системы. С точки зрения рабочего процесса дизеля, при обеспечении подогрева топлива, перевод среднеоборотных двигателей на высоковязкие топ- а) Содержание примесей в топливе, % Рис. 2.1. Номограмма отстаивания топлива (а) и зависимость периода между очистками барабана от содержания примесей (б). 1~8 ч; 11-16 ч; III ~24 ч ~ время отстаивания; а-б- границы несамоочищающихся сепараторов; в~г ~ границы самоочищающихся сепараторов с периодической очисткой барабанов; д~е - то же, сопловых с непрерывным удалением шлама из барабанов, -- вода;------- механические примеси желых топлив, содержащих большие количества загрязняющих примесей, малопригодны. Особенные трудности возникают при использовании таких сепараторов для очистки топлив, склонных к выделению асфальтосмолистых соединений. В современных сепараторах самоочищающегося типа периодическая очистка осуществляется автоматически, путем промывки горячей водой и сброса шлама в грязевую цистерну. Период между разгрузками барабана устанавливается опытным путем. Сигналом о необходимости разгрузки может служить появление водотопливной эмульсии в смотровом окне сливного патрубка, вызываемое заполнением грязевой полости барабана и вытеснением водяного затвора. Сепараторы в зависимости от настройки могут работать в режимах кларификации (отделение механических примесей) и пурификации (разделение топлива и воды с одновременным отделением механических примесей). Последний способ при очистке тяжелых топлив благода-ря его универсальности является более предпочтительным. К достоинствам пурификации относится также возможность промывки топлива горячей водой, вводимой в сепаратор в количестве 3~4% (от топлива) при температуре, на 3~5°С превышающей температуру топлива. Промывка улучшает отделение механических примесей и способствует удалению из топлива водорастворимых солей и золы. Принцип действия сепаратора состоит в следующем: загрязненное топливо насосом сепаратора подается через подогреватель и ограничитель производительности в центральный канал барабана (рис. 2.2). По нему топливо поступает вниз, через распределительные отверстия А в конических тарелках попадает в зазор между ними, направляется к центральной трубе, поднимается по ней вверх и выходит из сепаратора. Отделение загрязняющих примесей осуществляется в зазорах между тарелками (дисками). Каждая частица, отличающаяся по плотности отсепариру- 7 Зак. 2160
загрязненного топлива Рис. 2.2. Принцип центробежной очистки топлива в сепараторе, настроенном на режим пурификации, и схема действия сил емого топлива, подвергается действию двух сил С и D. Центробежная сила С, зависящая от частоты вращения барабана и массы частицы (ее размера и плотности), стремится отбросить частицу к периферии барабана. Ей препятствует сила вязкого трения D, стремящаяся увлечь частицу вслед за потоком топлива. Сила D зависит от скорости движения топлива и его вязкости, на которые можно воздействовать, меняя производительность сепаратора и температуру подогрева топлива. Составляющая этой силы G прижимает частицу к диску, а составляющая F перемещает ее по поверхности диска к периферии, отбрасывая в грязевое пространство барабана. Подобный процесс происходит при условии, что центробежная сила С относительно велика в сравнении с силой D. Если же сила С мала - малы размеры и плотность частицы или недостаточна частота вращения барабана сепаратора, а сила D велика -значительны вязкость топлива или скорость его потока (велика производительность сепаратора), то частица, находясь под действием сил Си Д будет двигаться по траектории Ь. В соприкосновение с верхним диском она не придет и покинет сепаратор вместе с очищаемым топливом. Из этого можно заключить, что качество очистки топлива в большой степени зависит от величины силы D. Чем меньше эта сила, тем полнее будет происходить очистка топлива, тем меньшие по своим размерам и плотности частицы загрязняющих примесей будут отделяться от топлива и удаляться в шлам. Поэтому, необходимо поддерживать достаточно высокую температуру подогрева топлива и осуществлять сепарацию при малой производительности, по возможности, не превышающей 50% ее паспортного значения. Верхним допустимым пределом подогрева топлива является температура кипения воды. Обычно не рекомендуется подогревать топливо выше 95°С (для мало вязкого дистиллятного топлива замедленного коксования или термоконтактного крекинга температура подогрева не должна превышать 35“40°С, в противном случае из топлива в процессе его сепарации могут выделиться асфальтосмолистые соединения). При работе сепаратора в режиме пурификации, эффективность сепарации зависит также от положения пограничного слоя - границы раздела между топливом и водой гидрозатвора (линия I на рис. 2.2). Нормальное его положение - у внешней кромки распределительных отверстий А дисков; ни при каких обстоятельствах он не должен проходить по отверстиям и тем более быть правее них. В первом случае будет наблюдаться торможение потока топлива на входе в диски, что приведет к резкому ухудшению сепарации, а во втором * в зону очищенного топлива будет поступать вода. Эффективность сепарации повышается, если граница раздела отодвигается влево от отверстий А, так как увеличивается эффективная поверхность дисков. Но в этом случае увеличивается вероятность исчезновения (разрыва) водяного затвора и как следствие - утечка топлива через водоотводной канал в грязевую цистерну. Регулировка положения пограничного слоя осуществляется с помощью регулировочной шайбы X, устанавливаемой в верхней части корпуса барабана и оказывающей сопротивление выходу из него воды. Если установить шайбу с меньшим диаметром отверстия, давление воды на топливо в корпусе барабана сепаратора увеличится, и пограничный слой переместится ближе к оси вращения. Поскольку давление в слое топлива зависит от его плотности, то для того чтобы обеспечить необходимое равновесие между топливом и водой при подборе диаметра регулировочной шайбы, нужно руководствоваться значением плотности сепарируемого топлива. Обычно для этой цели служат номограммы или таблицы, помещаемые в инструкции к сепараторам. Очистка топлива в сепараторе основана на разности создаваемых в нем центробежных сил, в свою очередь определяемой различием в плотностях очищаемого нефтепродукта и находящихся в нем примесей. Качество очистки зависит также от продолжительности нахождения топлива в барабане сепаратора: чем она больше, тем лучше и полнее очистка. Продолжительность пребывания топлива в сепараторе зависит от скорости его продвижения между тарелками, а последняя определяется задаваемой скоростью его поступления в сепаратор и вязкостью, в свою очередь зависящей от температуры топлива. Для выбора оптимального режима работы сепаратора следует руководствоваться графиками (рис. 2.3, а, б), с помощью которых скорость подачи и температура подогрева определяются в зависимости от вязкости: большая вязкость топлива требует увеличения температуры и снижения скорости подачи. Для обработки тяжелого топлива обычно используют два сепаратора, для дизельного - один или два. В зависимости от качества тяжелого а)
100 «о О •о    х 8-    ?80 с    а 15 25 45 75 100 130 Вязкость, мм2/с, при 80°С ~3€ 60 80 180 380 600 Вязкость, мм2/с, при 50°С —I-1—1-1-1-- 200 400 600 1500 3500 6000 Вязкость, с RI, при 38°С 80
-1-1-1-I—I—1 15 25 45 75 100 130 Вязкость, мм2/с, при 80°С "зО 60 80 180 380 600 Вязкость, mmVc, при 50°С —|-р-1-1-1-■ 200 400 600 1500 3500 6000 Вязкость, с RI, при 38°С
и о а к и
Рис. 2.3. Зависимости скорости подачи сепаратора (а) и температуры подогрева топлива (б) от вязкости топлива оба сепаратора включаются параллельно - работа в режиме пурификации, или последовательно - первый сепаратор работает в режиме пурификатора, а второй - кларификатора. После сепараторов навешенными на них насосами топливо подается в расходную цистерну. С утяжелением топлив и увеличением их плотности возникла серьезнейшая проблема сепарации воды от топлива, если разность их плотностей стремится к нулю или приобретает отрицательное значение (рис. 2.4). Плотность современных и перспективных топлив может достигать 990-1000 кг/м3 и более, плотность пресной воды при 20°С равна 1000 кг/м3 и лишь плотность морской воды лежит в пределах 1000~1013 кг/м3. С увеличением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается быстрее, чем воды, поэтому разность их плотностей рв - рт возрастает. Опыт свидетельствует о том, что при сепарации вода отделяется от топлива, если рв “ рт < 30 кг/м3. Этот минимум обеспечивается для всех топлив, плотность которых ниже 991 кг/м3, при температуре подогрева 98°С. Таким образом, рт = 991 кг/м3 представляет собой верхний предел плотности топлива, при котором возможно еще отделение пресной воды от топлива. Сепарация морской воды возможна и от более тяжелых топлив. В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются внутри барабана, и по мере его заполнения во избежание нарушения сепарации барабан следует очищать. В современных сепараторах очистка осуществляется автоматически с периодичностью 2~4 ч при сепарации топлива вязкостью 120^380 мм2/с. Для более вязких топлив, содержащих большое количество механических примесей, время между разгрузками не должно превышать 1~2 ч. В противном случае переполнение барабана может привести к прекращению очистки топлива, и неочищенное топливо пойдет в расходную цистерну. Иногда барабан переполняется даже при малых интервалах между разгрузками. Это происходит при сепарации обводненного топлива, образующего с водой стойкую эмульсию, содержание которой в скапливающемся в барабане шламе может достигать 80%. В этой ситуации надо стремиться избегать «перемалывания» топлива насосами и обеспечить наиболее эффективное его отстаивание в отстойных цистернах. Зависимость периода между очистками барабана от содержания примесей приведена на графике (см. рис. 2.1,6). 14 2 16 О С Рис. 2.4. Зависимость плотностей воды (соленой ~ 7, пресной ~2 и топлива 3 от температуры)
Частота автоматической очистки сепараторов определяется из фак-тического опыта по каждой установке. При обработке тяжелых топлив вязкостью от 120 до 380 мм2/с при 50°С сепаратор следует опорожнить после работы в течение 2~4 ч. Для мазутов, вязкостью до 600 мм2/с при 50°С максимальное время интервала между автоматическими удалениями осадка не должно превышать 1-2 ч. В режиме кларификации сепаратор работает без водяного затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно кларификатор, устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки. Опыт показывает, что при последовательной работе сепараторов основная очистка осуществляется в пурификаторе (до 70% примесей собирается в нем) и лишь 10% приходится на долю кларификатора. Таким образом, роль кларификатора сводится к удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частиц механических примесей и роли «сторожа» на случай прорыва механических загрязнений через пурификатор. При работе на тяжелых низкосортных топливах, получаемых компаундированием остатков каталитического крекинга и вибреакинга с кероси но-газой -левыми фракциями, сепарацию рекомендуется осуществлять в режиме: два параллельно работающих на малой производительности пурифика-тора с последовательно включенным кларификатором. Эффективность очистки в этом варианте достигает 80~90%, в то время как в варианте пурификатор - кларификатор она составляет 70%. Выбор режима сепарации приобретает особо важное значение при очистке топлив, содержащих алюмосиликатную мелочь, могущую вызвать буквально катастрофический износ двигателей. Здесь чрезвычайно важно сепарацию вести с малыми подачами топлива в сепараторы (15-20% паспортной) и по последовательной схеме с использованием кларификатора в качестве последней ступени (рис. 2.5). При сепарации классических мазутов (прямогонных остатков) возможны менее жесткие требования к выбору режима. Центробежные сепараторы обеспечивают удаление примесей неорганического происхождения с размерами частиц 5 мкм и менее и органического происхождения 7 мкм и менее, а также воды (до следов). Потери горючей части топлива вместе с отсепарированнои водой и с осадком при удалении не превышают 1%, при очистке остаточных мазутов - 3%. Метод очистки топлив (фильтрация, сепарация, гомогенизация) оказывает влияние на износ цилиндра. Исследования фирмы «Бурмейстер и Вайн» показали, что наиболее эффективным методом очистки топлива в настоящее время является центробежное сепарирование. Для средне* и высоковязких топлив рекомендуется комплекс средств очистки: фильтры грубой очистки (ФГО), центробежный сепаратор, фильтры тонкой очистки (ФТО). Фильтры, удаляющие загрязнения, размером до 1 мкм, на практике отсутствуют, поэтому они не могут быть равноэффективны сепараторам. Для обеспечения удовлетворительной сепарации в обычных сепараторах плотность тяжелых топлив не должна превышать 0,99 кг/л при 15°С. Максимальная разница в плотностях топлива и воды находится в диапазоне 80~90оС. Вязкость топлива при сепарации должна быть 12~16 мм2/с (двухтактные дизели) и 9,5~14 мм2/с (четырехтактные дизели). Фирма «Альфа-Лаваль» рекомендует соблюдать следующие оптимальные соотношения производительности сепаратора и температуры сепарации в зависимости от вязкости: Рис. 2.5. Распределение частиц загрязнений по размерам d в неочищенном топливе (!) и топливе, прошедшем сеприрование при параллельной (И) и последовательной (Ш)работе сепараторов
Вязкость, мм2/с, при 50°С Температура сепарации,°С Пропускная способность, % Для эффективной работы сепараторов предпочтительно выполнять следующие мероприятия: ♦    оптимально подбирать пропускную способность сепаратора; ♦    поддерживать температуру сепарации в пределах 2°С с помощью автоматического регулирования подачи пара на подогреватель; ♦    оптимизировать режим работы сепараторов ♦    избегать дросселирования и рециркуляции топлива перед сепарацией. Следует иметь в виду, что при сепарации тяжелых топлив помимо снижения содержания в них механических примесей, воды и золы, как правило, наблюдается повышение температуры вспышки и снижение температуры застывания. В качестве примера в табл. 2.1 помещены данные испытаний по оценке влияния подогрева моторного топлива ДТ-1 на качество его очистки сепаратором (кларификатором). Таблица 2. 7 Эффективность очистки моторного топлива сепарацией (кларификацией) После сепарации Показатели топлива До сепарации при подогреве топлива до 40-45°С при подогреве топлива до70-75°С Плотность, кг/м3 Вязкость, °ВУ, при 50°С Зольность, % Содержание воды, % Содержание механических примесей, % Температура вспышки, °С Температура застывания, °С Отмечен несколько необычный факт: при более высоком подогреве топливо меньше очищается от механических примесей (несмотря на одновременное возрастание количества отложений в грязевой камере сепаратора). Это можно объяснить повышением интенсивности окисления углеводородов с образованием смол при высокой температуре топлива. В этом отношении представляют интерес исследования по определению влияния сепарирования на качественные показатели мазута. Они показали, что при сепарировании может заметно изменяться групповой состав топлива в связи с удалением значительного количества углеводородов парафино-нафтенового ряда и интенсивным окислением углеводородов, приводящим к образованию смол. Первое обстоятельство обусловило снижение температуры застывания топлива наряду с испарением и удалением из него некоторой части легких компонентов, второе - возрастание общего количества механических примесей в процессе сепарирования. Это подтверждается характером изменения состава механических примесей: при снижении количества карбенов и карбоидов и практически неизменной неорганической части увеличивается доля примесей, не растворимых в бензоле (неорганическая часть осталась без изменений, по-видимому, из-за малых размеров ее частиц). Несмотря на широкое распространение на судах схемы двухступенчатой сепарации тяжелых топлив с концевым кларификатором, незначительная эффективность его работы показывает сравнительно невысокую рациональность такой схемы. Результаты выполненных в последние годы исследований позволили установить, что при наличии на судне двух сепараторов параллельное их включение (в режиме пурификации) обеспечивает лучший эффект очистки тяжелого топлива, чем последовательное. Рекомендованная ими схема, безусловно, перспективна для систем топливоподготовки энергетических установок со среднеоборотными дизелями, поскольку применение в них большого количества сепараторов (в связи с необходимостью очистки дизельного топлива и резервирования) затруднительно и нерентабельно. Для повышения эффективности параллельно работающих сепараторов целесообразно, чтобы их производительность составляла 30~50% спецификационной (максимальной). Подогрев топлива Для хорошего распыливания топлива его следует подогревать перед впрыском. Необходимая температура подогрева зависит от относительной вязкости применяемого топлива. Поэтому важным моментом в подготовке топлива к сжиганию является обеспечение необходимой вязкости. Если для дизельных топлив необходимость в подогреве для снижения вязкости отпадает, то для тяжелых топлив предварительный подогрев в паровых или электрических подогревателях является обязательным условием их подготовки, так как только этим путем можно достигнуть требуемой вязкости. Влияние вязкости и сжимаемости на характеристику впрыска в зависимости от конструкции топливной аппаратуры различно, но во всех случаях оно в той или иной мере отражается на качестве распыливания и последующего сгорания топлива. Вязкость, определяемая силами внутреннего сцепления топлива, и силы его поверхностного натяжения оказывают непосредственное влияние на распад вытекающей из форсунки струи топлива. Эти силы стремятся удлинить сплошную часть струи и тем самым сохранить ее целостность, поэтому с их увеличением (а это возможно при снижении температуры топлива) длина сплошной части струи растет, а тонкость распыливания снижается. Опытным путем установлено, что оптимум вязкости топлив для дизелей лежит в пределах 12~20 мм2/с. Это значение вязкости и должно быть обеспечено соответствующим подогревом топлива перед его использованием. Контроль за заданной вязкостью и управлением подогревателем осуществляет встраиваемый в систему топливоподачи автоматический регулятор вязкости - вискозиметр. За ним устанавливают фильтры тонкой очистки с тонкостью отсева б—15 мкм. Чтобы предотвратить остывание топлива в системе топливоподачи, все трубы изолируются и снабжаются паровыми спутниками или обвиваются электронагревательными элементами, а смесительная цистерна снабжается паровым змеевиком. Кроме того, при кратковременной остановке двигателя циркуляционные насосы должны продолжать работать, поддерживая циркуляцию горячего топлива в замкнутом контуре. Опыт эксплуатации показывает, что вязкость топлива, измеряемая перед топливным насосом, не является строго определенным параметром и поэтому допускаемая величина вязкости может быть до 20 сСт за подогревателем, а температура подогрева топлива не должна превышать 150°С. В случае, если топливные трубопроводы имеют подогреваемые участки, следует остерегаться перегрева труб при переходе на дизельное топливо и. при работе на дизельном топливе. В этих условиях слишком интенсивный подогрев трубопроводов может настолько снизить вязкость топлива, что появится опасность перегрева топливных насосов и последующего заедания плунжера и повреждения уплотнений в системе. Во время стоянки двигателя для циркуляции подогретого тяжелого топлива не требуется такой низкой вязкости, которая рекомендована для впрыска. Поэтому для экономии энергии температуру подогрева можно снизить примерно на 20°С, чтобы обеспечить вязкость топлива около 30 сСт. Если двигатель был остановлен на тяжелом топливе, и если тяжелое топливо прокачивалось при пониженной температуре во время стоянки, подогрев и регулировка вязкости должны быть выполнены приблизительно за один час до запуска двигателя, чтобы получить требуемую вязкость. Переводить дизель с топлива одного сорта на другой следует осторожно, предварительно снизив его нагрузку до 75% полной. При переходе с дизельного топлива на тяжелое дизельное топливо необходимо постепенно, со скоростью 2°С/мин подогреть до 60“80°С. При этом во избежание заклинивания прецизионных элементов топливовпрыскивающей аппаратуры вязкость топлива не должна упасть ниже 2 мм2/с. Температура тяжелого топлива в расходной цистерне должна снижаться, и к моменту переключения она не должна быть выше температуры дизельного топлива более чем на 25°С (60-80°С). При переходе с тяжелого топлива на дизельное необходимо перекрыть пар на подогреватель и, когда температура топлива в нем упадет до значения, превышающего температуру дизельного топлива в расходной цистерне на 25°С, переключить клапан на подачу и систему дизельного топлива. Если температура дизельного топлива была ниже 50°С, его необходимо предварительно подогреть. При наличии рециркуляционной цистерны нагрузка дизеля при смене топлива может не снижаться. Фильтрация топлива Износ прецизионных пар топливоподающей аппаратуры зависит как от абразивных свойств механических примесей топлива, так и от размеров частиц. Исследования показывают, что наибольший износ вызывают частицы загрязнений размером б~12 мкм. Более крупные частицы не могут сразу пройти в зазоры и, таким образом, оказывают меньшее абразивное действие. Следовательно, основным техническим требованием к фильтрам тонкой очистки является обеспечение отсева частиц не крупнее указанных наиболее опасных размеров. Поэтому наряду с сепарацией в комплекс топливо-обработки входит фильтрование топлива с использованием фильтров грубой и тонкой очистки. Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насосами (топливоперекачивающими, подкачивающими насосами сепараторов, бустерными и циркуляционными), в целях предупреждения их повреждения при попадании крупных частиц. Фильтры тонкой очистки устанавливают непосредственно перед дизелями для защиты прецизионных элементов топливной аппаратуры от частиц механических примесей, не задержанных в сепараторе. Принцип действия фильтра основан на отделении от нефтепродукта загрязняющих примесей при его пропускании через фильтрующую перегородку, размеры ячеек которой меньше размеров отфильтровываемых частичек. Наибольший размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром, определяет тонкость отсева. По этому показателю имеются три группы фильтров очистки топлива: ♦    предварительной ~ для предохранения топливной системы от попадания случайных крупных загрязнений (фильтры перед топливоперекачивающими насосами); ♦    грубой - для удаления из топлива частиц, размером более 40 мкм; ♦    тонкой ~ для удаления примесей, размерами более 6_15 мкм, а при применении бумажных элементов - более 4-5 мкм. Фильтр характеризуется также коэффициентом очистки и степенью фильтрации, которая представляет собой отношение массы удаленных примесей к ее первоначальному значению: кф = {G0 - GOCT) /G0, (где G0CT - масса примесей, оставшихся в прошедшем фильтрацию продукте). На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтрационные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы могут быть поверхностными либо объемными (емкостными). В поверхностном фильтре топливо очищается путем осаждения примесей на поверхности элементов, кромках ячеек или щелей. В качестве фильтрующего материала используют сетку, листовую бумагу (фильтры ТФ), ткань либо фильтрующий элемент образуется пластинками, витками проволоки или ленты (щелевые фильтры). В объемном фильтре нефтепродукт пропускается через фильтрующий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Для изготовления объемных элементов используют фетр, древесноволокнистые материалы, металлокерамику, пористую бронзу. Объемные фильтры в отличие от поверхностных способны удерживать большое количество грязи, имеют более высокий коэффициент фильтрации и не способны к внезапному засорению. Изучение эффективности средств очистки топлива позволило установить, что тонкость отсева примесей фильтрующими элементами из фетра составляет в среднем 15_20 мкм, элементами из тонкошерстного войлока - 20-25 мкм. Наибольшую тонкость отсева обеспечивает бумага, которая в зависимости от сорта и от способа обработки может задерживать частицы загрязнений размером от 1СМЗ до 2~3 мкм. Поэтому элементы из бумаги (обычно из кренированной, пропитанной синтетическими смолами для придания водостойкости и жесткости) находят широкое применение в фильтрах тонкой очистки, в которых фильтрующие элементы выполнены в виде сжатой гармошки. Малый срок службы любых фильтрующих элементов из-за интенсивного забивания асфальтосмолистыми соединениями при фильтрации тяжелых топлив, невозможность отделения воды, необходимость в ручной очистке - послужили серьезным препятствием к использованию подобных фильтров на современных судах. На смену им пришли самоочищающиеся фильтрационные установки, имеющие по сравнению с сепараторами существенные достоинства: малые энерго- и трудозатраты на обслуживание, возможность автоматизации; простоту конструкции, более высокую надежность в работе; независимость процесса очистки от разностей плотностей топлива и удаляемых из него частиц механических примесей; меньшие потери горючей массы. В некоторых конструкциях фильтрационных установок предпринята попытка отделения от топлива воды благодаря водоотталкивающей пропитке фильтрующих материалов. Однако опыт показал, что по мере загрязнения водоотталкивающая способность фильтра ухудшается. На судах распространены фильтрационные установки с постоянными фильтрующими элементами поверхностного типа (сетчатые, щелевые) с периодической автоматической самоочисткой методом противотока. Создатели самоочищающихся фильтрационных установок, стремясь достигнуть тонкости отсева частиц загрязняющих примесей до 5—10 мкм (таков размер отсеивающихся частиц в сепараторах), сталкиваются с проблемой быстрого загрязнения фильтрующих поверхностей асфальтена-ми, находящимися в топливе в коллоидном растворе, размер мицелл которых, близок к упомянутой тонкости отсева. Эго вызывает необходимость частой промывки с использованием противотока, что в свою очередь сопряжено с ростом потерь топлива со шламом. Отмеченное обстоятельство является существенным недостатком фильтрационных установок, поэтому они не могут конкурировать с современными автоматизированными сепараторами. Широко применяют фильтрующие материалы: поверхностного удаления механических примесей из топлива (металлические сетчатые материалы с ячейками 10~200 мкм и более, тканые из синтетических и хлопчатобумажных тканей, бумажные) и объемного удаления (пористые синтетические и пористые металлические материалы - пористая бронза). Магнитные фильтры широко применяют для очистки от ферромагнитных частиц (размером от 0,5 до 5 мкм и более) механических примесей. Они отличаются от других очистителей наименьшим гидравлическим сопротивлением (не более 150 Па). Преимущества магнитных фильтров: небольшие габариты, сравнительно невысокая стоимость, непрерывность действия и простота обслуживания; недостаток - невозможность использования для очистки жидких топлив и масел от механических примесей органического и неорганического происхождения. Фильтрующие элементы по мере работы постепенно загрязняются, их пропускная способность уменьшается, что контролируют перепадом давления топлива до и после фильтра. При достижении предельного значения этого перепада фильтрующие элементы очищают от осадка с помощью химических средств. Фильтрующие элементы металлические (пористая бронза) или керамические освобождают от осадка путем его выжигания. Рекомендуемый расход топлива через фильтр и его условная пропускная способность приведены в табл. 2.2. Условная пропускная способность - это расход топлива через фильтр при заданном перепаде давления. К новым фильтроматериалам относятся бумаги: БФДТ, БТ-ЗП, БТ-5П, БТ-10П, БТ-15П, их характеристики приведены в табл. 2.3. Фильтры грубой очистки задерживают частицы механических примесей размером более 0,04 мм (табл. 2.4). Общие технические условия на фильтры очистки топлива дизелей изложены в ГОСТ 14146-88. Основные параметры фильтров с щелевыми и сетчатыми элементами устанавливают в соответствии с требованиями табл. 2.5. Перепад давления, не вызывающий разрушения пористого элемента приведен в табл. 2.6. Таблица 2.2 Характеристика унифицированных топливных фильтров Марка Условная пропускная способность, кг/ч, не менее Количе -ство фильтро-элементов Рекомендуемый расход топлива через фильтр, кг/ч Габариты, мм, не более 190x82x102 190x104x125 230x104x125 215x124x138 350x125x155 205x202x165 245x202x165 495x285x230 655x285x230 406x285x230 655x285x230 215x240x112 Таблица 2.3 Показатель Тонкость отсева, мкм Сопротивление потоку воздуха, Па Сопротивление продавливанию, МПа Таблица 2.4 Тип фильтра Размер задерживаемых частиц, мм Скорость жидкости, Перепад давлений на фильтре, МПа чистом засоренном Сетчатый 0,125-0,25 Пластинчатый Проволочно
<<< Предыдущая страница  1  2    Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я