УДК 665.753.4
А. Ю. Мельник, С. Н. Миникаева, С. Б. Павлов,
Х. Э. Харлампиди
ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: водотопливные эмульсии, дизельное топливо, кавитаторы.
Проведен сопоставительный анализ основных физических свойств (вязкость, плотность, остаточное содержание воды, температура начала кристаллизации) проб водотопливной эмульсии в зависимости от ее состава. Проанализированы их изменения. Установлено, что добавление воды в незначительном количестве практически не влияет на физические характеристики топлива, все значения соответствуют ГОСТ 305-82 — «Топливо дизельное. Технические условия».
Key words: water fuel emulsions, diesel fuel, kavitator.
Введение
В настоящее время при работе энергетических топливных установок актуальными являются задачи их энергосбережения и экологической безопасности. Наиболее удачным решением получения более эффективного топлива в мировой практике является использование водотопливных эмульсий — нового жидкого синтетического топлива, образованного путем тепломассоэнергообменной «сшивки» воды с жидкими энергоносителями. Интерес представляют водотоп-ливные эмульсии вода — мазут, вода — дизельное топливо, вода — бензин, вода — мазут — угольная пыль.
Эффективность применения водотопливных эмульсий уже не раз подтверждалась исследованиями многих авторов. Улучшаются выходные параметры силовых установок, появляется возможность дополнительной форсировки, снижаются тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы и расход топлива, камера сгорания очищается от сажистых отложений, кроме того значительно снижается эмиссия токсичных и отравляющих веществ в отработанных газах. Использование в качестве горючего водотопливной смеси позволяет применять высокоэффективные водорастворимые присадки, которые невозможно было использовать с обезвоженным топливом, так как они внем нестабильны и плохо растворяют-ся.
В ранних исследованиях отечественных ученых было установлено, что при добавлении 17% воды к топливу, количество оксида углерода (СО) снижалось на 50%, а оксидов азота (МОх) — на 20%, при этом топливная экономичность достигала 5%. Американскими учеными было опубликовано сообщение об испытаниях автомобильных дизелей на эмульсии следующего состава: дизельное топливо -80%, вода — 19,3% и эмульгатор — 0,7%. При такой топливной смеси кроме снижения вредных выбросов в отработанных газах была достигнута экономия чистого топлива до 8%.
На сегодняшний день проведено огромное количество стендовых и эксплуатационных испыта-
ний, которые показали, что добавленная к топливу вода существенно интенсифицирует процесс сгорания топлива, одновременно с этим снижается выброс продуктов неполного сгорания и оксидов азота с отработанных газов. Использование других способов снижения вредных выбросов с отработанных газов если и приводит к снижению содержания продуктов неполного сгорания, то при этом автоматически увеличивается эмиссия окислов азота и наоборот.
Экспериментальная часть
Получение проб водотопливной эмульсии различного состава. Путем смешения реагентов — дистиллированной воды и дизтоплива в различных соотношениях и их последующей гидродинамической кавитационной обработке были получены образцы однородной водотопливной эмульсии (табл. 1). Обработка осуществлялась на лабораторной установке (рис. 1). Установка включала в себя кавитатор, выполненный в виде сопла Лаваля (рис. 2), соединенный системой шлангов с мерным баком. Бак был подключен к электронасосному агрегату, работающему под действием электродвигателя.
Определение остаточного содержания воды. Остаточное содержание воды в пробах №1, №6, №10 и №14 определяли по ГОСТ 2477-65 методом Дина -Старка. Для этого сначала измеряют объем воды в приемнике-ловушке, затем рассчитывают массовую долю воды в пробах по формуле:
X = ¥(/ш * 100, где X — массовая доля воды, % масс.; У0 — объем воды в приемнике-ловушке, см3; т — масса пробы, г. Для упрощения вычисления плотность воды при комнатной температуре приняли за 1 г/см3, а числовое значение объема воды в см3 — за числовое значение массы воды в г; при массе нефтепродукта (100±0,1) г за массовую долю воды приняли объем воды, собравшейся
в приемнике-ловушке, в см .
Определение плотности проб. Плотность проб эмульсии определяли по ГОСТ 3900-85 при помощи ареометра. Для этого сначала производят отбор проб по ГОСТ 2517-85, затем отсчитывают показания
Смешивание реагентов 100 % ДТ 90 % ДТ, 10 % воды 90 % ДТ, 10 % воды 90 % ДТ, 10 % воды 90 % ДТ, 10 % воды 90 % ДТ, 10 % воды
№ пробы 1 2 3 4 5 6
Время обработки — 10 мин 20 мин 30 мин 40 мин 60 мин
Смешивание реагентов 95 % ДТ, 5 % воды 95 % ДТ, 5 % воды 95 % ДТ, 5 % воды 95 % ДТ, 5 % воды
№ пробы 7 8 9 10
Время обработки 10 мин 20 мин 30 мин 40 мин
Смешивание реагентов 98 % ДТ, 2 % воды 98 % ДТ, 2 % воды 98 % ДТ, 2 % воды 98 % ДТ, 2 % воды
№ пробы 11 12 13 14
Время обработки 10 мин 20 мин 30 мин 40 мин
плотности по верхнему краю мениска шкалы ареометра.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Определение вязкости проб.
Вязкость проб определяли с помощью вискозиметра капиллярного стеклянного ВПЖ-1м. Для этого сначала измеряют время истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара, затем рассчитывают кинематическую вязкость пробы по формуле:
Определение температуры начала кристаллизации. Температуру начала кристаллизации определяли по ГОСТ 5066-91. Для этого пробу начинают охлаждать. За температуру начала кристаллизации принимают максимальную температуру, которую показал термометр при появлении в образце первых кристаллов, видимых невооруженным глазом.
Обсуждение результатов
Анализ изменения плотности, кинематической вязкости и температуры начала кристаллизации в пробах №
6, 10, 14 позволяет выявить общую тенденцию уменьшения данных физических величин по сравнению с исходным сырьем (табл. 2). Это объясняется снижением процентного содержания воды в пробах.
ный бак, 2 — асинхронный электродвигатель, 3 -система шлангов, 4 — кавитатор типа «фьюсоник», 5 — манометр, 6 — электро-насосный агрегат. Стрелками указано направление движения смеси
Все показатели дизельного топлива соответствуют значениям ГОСТ 305-82 — «Топливо дизельное. Технические условия».
Сравнение остаточного содержания воды в пробах (табл. 2) позволяет сделать вывод, что при смешивании воды и дизельного топлива и их последующей кавитационной обработке на данной лабораторной установке, в эмульсию «вбивается» около У части воды. При определении остаточного содержания воды в пробах по методу Дина — Старка спустя 48 часов были получены следующие данные (табл. 2). Это говорит о том, что данная водотопливная эмульсия неустойчива.
Сегодня известно много способов, позволяющих улучшить процесс сгорания углеводородного топлива. В основном они направлены на изменение его физико-химических свойств. Например, применение различных присадок, обработка топлива в катализаторах, облучение топлива электромагнитными полями и т.д. При выборе того или иного метода определяющими факторами зачастую становятся энергоемкость и стоимость. И все-таки наиболее дешевым и энергетически выгодным остается метод насыщения топлива водой перед подачей его в дизель.
Рис. 2 — Классическое сопло Лаваля: D^ — диаметр диффузора, 15 мм; D*^ — диаметр кофузора, 20 мм; D^ — диаметр сечения, 10 мм
Полученные результаты исследования предполагают дальнейшее изучение влияния воды на характеристики дизельного топлива, а также развитие в этом направлении.
Основные результаты и выводы:
1. Добавление воды в количестве 2 % влияет на физические характеристики топлива незначительно. Такие показатели как вязкость, плотность, температура начала кристаллизации соответствуют значениям ГОСТ 305-82 — «Топливо дизельное. Технические условия». Следовательно, наблюдается экономический эффект, вследствие меньшего расхода топлива.
2. Из-за слабого воздействия на обрабатываемую жидкость, за счет того, что кавитация возникала не во всем объеме жидкости и невозможно было постоянно поддерживать оптимальный режим работы, полученная водотопливная эмульсия оказалась неустойчивой, и через 48 часов расслоилась. Это объясня-
ется тем, что используемая в ходе исследований лабораторная установка предназначена для обработки более вязких, тяжелых нефтепродуктов. Для создания более устойчивых водотопливных эмульсий и улучшения качественных характеристик топлива требуется установка с другими характеристиками.
Литература
4. Иванов В.М. Топливные эмульсии. — М.: АН СССР, 1962. — 274 с.
5. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. — Л.: Судостроение, 1988. -108 с.
7. Тув И.А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. — Л.: Судостроение, 1968. №10. — 314 с.
№ пробы 1 6 10 14
Плотность, г/см3 0,825 0,830 0,828 0,825
Кинематическая вязкость, мм2/с 3,2698 3,5226 3,4350 3,3575
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Температура начала кристаллизации, °С — 21,6 — 20,8 — 21,0 — 21,5
Остаточное содержание воды — 2,0 % 0,9 % 0,4 %
Остаточное содержание воды спустя 48 часов — 0 % 0 % 0 %
Присутствие воды в топливном баке – одна из самых распространённых проблем для автомобилистов. В некоторых случаях на дне может собраться до литра воды, что причиняет массу неприятностей. Чаще такая проблема возникает в холодное время года. Причин несколько: это может быть конденсат из-за перепада температуры или низкое качество топлива, которое на заправке нередко разбавляют водой. Если во втором случае проблема сравнительно легко решается при условии покупки топлива только на проверенных заправках, то с физикой и перепадами температур бороться намного сложнее.
Содержание
В чём опасность воды в топливе?
Главная проблема воды, которая находится под слоем топлива, состоит в том, что у неё нет возможности испаряться. Она может только накапливаться. Образовавшаяся в топливном баке вода в своём спокойном состоянии не смешивается с дизельным топливом, поэтому просто находится на дне.
Но во время движения автомобиля она начинает смешиваться с топливом, кардинально меняя его характеристики. В результате работа двигателя становится нестабильной, а обороты – неравномерными. Если же вода поступает в топливопровод, при сильных морозах всегда есть вероятность того, что она просто замёрзнет, полностью перекрывая доступ топлива к мотору.
Кроме того, есть большая вероятность повреждения распылителей инжектора, заморозки системы впрыска. Даже после оттаивания системы возникает масса проблем: к примеру, оттаявшая вода попадёт в двигатель, что чаще всего приводит в итоге к необходимости его ремонта. Для самого топливного бака постоянный контакт с водой тоже не проходит бесследно, что явно видно на фото справа.
Как бороться с водой в дизельном топливе?
Фильтры-сепараторы, отстойники
Одним из самых распространённых решений для дизельных топливных систем становится оснащение их специальными фильтрами с отстойниками. Удаление воды в них в зависимости от модификации может проводиться автоматически или вручную. Также возможно использование фильтра-сепаратора, который устанавливается перед топливным фильтром и предусматривает подогрев, позволяющий избежать замерзания топлива и воды в данном узле.
Немного реже встречается использование термисторных электроподогревателей, который по аналогии с прокладкой устанавливается между фильтром и головкой. Он подключается к бортовой электросети. Конструкция и принцип работы устройства разработаны таким образом, чтобы не допускать перегрева топлива в любых условиях. Кроме того, устройство является саморегулирующимся, что позволяет использовать его в зимнее время без выключения.
Осушители топлива
Одним из действенных способов удаления воды из дизельного топлива является использование специальных средств – осушителей. Среди их преимуществ стоит отметить доступную цену, лёгкость и удобство применения. Средство представляет собой влаговытесняющую присадку-ингибитор, которая обладает направленным действием и препятствует накапливанию воды в баке. Принцип её работы заключается в том, что капли воды в топливе разбиваются до мелкодисперсного состояния, равномерно распределяясь по всему объёму. Во время работы двигателя они попадают в камеру сгорания и отводятся с отработанными газами.
Способы профилактики образования воды в дизельном топливе
Лучшим решением проблемы всё же является профилактика. В данном случае для автомобилистов есть несколько основных рекомендаций:
- в условиях высокой вероятности перепадов температур (особенно зимой) и при сырой погоде заправлять бак полностью, чтобы не оставлять места для воздуха;
- пользоваться услугами заправочных станций, которые закупают топливо на сертифицированных нефтебазах, и не занимаются махинациями;
- с периодичностью в полгода использовать специальные присадки, которые позволяют вывести образовавшуюся воду из системы.
ООО «Компания «Нипетойл» предлагает свои услуги по поставке сертифицированного дизельного топлива в Москве и Московской области оптом партией от 1000 л. У нас есть собственный автопарк, который позволяет нам выполнять доставку по удобному для заказчика графику точно в оговоренные сроки. Мы предлагаем выгодные цены, оперативность и неизменно высокое качество топлива.
Считается едва ли не аксиомой, что вода является постоянным и одним из опаснейших спутников любого топлива. Однако вот уже на протяжении нескольких десятилетий в мире появляются изобретатели, которые пытаются в корне опровергнуть такие представления. Более того, экспериментально доказать, что вода не только не враг, но может быть и реагентом, повышающим КПД топлива. Более того, есть ученые, которые утверждают, что она может заменить его – сама стать источником энергии.
Прописные истины гласят, что вода существенно ухудшает качество топлива: низкотемпературные свойства, вязкость, прокачиваемость, фильтруемость, процессы смесеобразования – все это в конечном итоге снижает теплоту сгорания и КПД двигателя. Кроме того, присутствие воды ускоряет процессы коррозии, ухудшается смазывающая способность топлива. Короче говоря, обычная добавка воды в дизтопливо означает смерть топливной системы авто.
Однако среди ученых давно – еще с начала прошлого века витала идея, что если вода находится в некоем связанном состоянии, могут возникнуть интересные эффекты. Надо лишь найти некий эмульсор или стабилизатор, который выполнит эту задачу.
Попыток было множество. В Китае к примеру, в 60-х годах речной флот единовременно перевели на такую эмульсию. Однако, спустя некоторые время он целиком вышел из строя по причине эрозии двигателей. В России эту технологию с незначительными изменениями используют до сих пор. Например, несколько кораблей Балтийского и Мурманского пароходств и сегодня ходят по морю на эмульсии. Но советских ученых работы ученых по производству эмульсора для связки воды с бензином, названного аквазином, в начале 90-х завяли по банальной для тех времен причине – прекращения финансирования.
А вот американский изобретатель Рудольф Ганнерман в это же время запатентовал вид топлива для двигателей автомобилей и других машин, наполовину состоящего из воды. Он назвал его А-55 (цифра означает процент воды (Aqua) в смеси с бензином). И, говорят, заработал на этот ноу-хау миллиард долларов.
В то время об этом изобретении много было пересудов. Ганнерман утверждал, что его смесь обеспечивает пробег на 30% больше, чем на бензине. Это он объяснял тем, что в процессе сгорания топлива в цилиндре двигателя вода расщепляется на кислород и водород, который и добавляет энергии. А чтобы ускорить диссоциацию воды Ганнерман на каждом поршне или головке цилиндра предложил укрепить небольшой кусочек никеля, который будет служить катализатором. Крупнейшая фирма «Caterpiller» настолько заинтересовалась изобретением, что в июле 1994 заключила c ним соглашение. СМИ сообщали о положительных результатах испытаний на рейсовых автобусах в городе Рино (штат Невада), об автопробеге пяти грузовиков в штате Миннесота на расстояние 2 тыс. км. А ведущий специалист по автотранспорту этого штата Джон Питерс заявил, что если преимущества А-55 будут всесторонне изучены и доказаны, то новое топливо поможет вдвое сократить торговый дефицит США, исключив импорт нефти!
Однако, с тех пор об изобретении Ганнермана не пишут. И как не пытались мы в Интернете разыскать о нем свежих сведений – ничего не нашли. Из чего можно лишь предположить, что ноу-хау не прижилось.
Японская эстафета
Однако поиск чудо-эмульсора продолжался. Эстафету Ганнермана переняли японские исследователи из университета Канагавы. При этом они опираются на достижения новой нового веяния – нанотехнологии.. Они разработали процесс эмульгирования топлива при помощи гидрофильных наночастиц.
Для создания эмульсий из различных видов нефтепродуктов оказался пригодным один-единственный вид частиц. При этом новый метод проще прежних способов: вода может использоваться «индустриальная», а не максимально очищенная, как раньше, к тому же полученная эмульсия отличается высокой стабильностью.
За счёт испарения в цилиндре двигателя воды, являющейся составной частью нового суперэмульгированного топлива, солярка оказывается распылена на меньшие по размеру капли, что улучшает эффективность сгорания этого топлива. Одновременно снижается температура сгорания, что снижает выбросы окислов азота.
Пару лет назад японцы провели испытания суперэмульгированного дизтоплива на 30-тонном грузовике, которые продемонстрировали сокращение выброса вредных веществ и снижение расхода топлива на 10-15%. При этом испытывалось два типа водно-дизельной смеси: с содержанием воды 30% и 35% соответственно.
И снова американцы
Любопытная информация в СМИ привлекла наше внимание, ставшая, собственно, и поводом для этой статьи. В сентябре американская компания «EcoloCap Solutions Inc и российская «PIK Group» договорились с министерством энергетики и угольной промышленности Украины о том, чтобы наладить в этой стране выпуск эмульсионного топлива «M-Fuel». По этому случаю в Киеве и Донецке побывал глава «EcoloCap» Майкл Сигел. Соответственно, представители украинского правительства намерены отправиться в Корею, где расположены производственные мощности компании, с целью провести испытание этого топлива и сертифицировать его для Украины.
Судя по сообщению, российская компания берет на себя роль дистрибьютора, который должен продвинуть новое топливо, в том числе – наладить его производство – в Украине и и других странах восточной Европы.
Из американских источников в интернете следует, что топливо «M-Fuel» представляет собой эмульсию, состоящую на 70% из дизельного топлива, керосина, или других тяжелых нефтепродуктов, на 28% из воды и на 2% — из стабилизирующей добавки. При этом, как и японцы, американцы опираются на достижения нанотехнологий. «M-Fuel» изготавливается специальной установкой – «Nano Processing Unit» (NPU), которая путем электролиза разделяет воду на кислород и водород, а нефтепродукты – на субмикронные пузырьки, которые сразу же поглощают молекулы кислорода и водорода. Установка эта (имеется несколько вариантов мощностей) позволяет перерабатывать самые разные нефтепродукты: дизтопливо, биотопливо, загрязненные отработанные масла, а также любую воду, лишенную твердых частиц.
К числу преимуществ M-топлива авторы ноу-хау относят следующее. Во-первых, оно полностью сгорает в камере, устраняя нагар и «горячие точки»- твердые частицы, которые, стремясь вырваться на свободу, создают трение в движущихся частях двигателя. Этот повышает срок его службы и затраты на обслуживание. Кроме того, на 40% сокращается расход топливо. Наконец, экологическая составляющая. По данным EcoloCap, выброс вредных веществ в атмосферу уменьшается более чем на 60%.
Важно и то, что M-топливо полностью совместимо с автомобильными и прочими двигателями, и не требует их модификации. Примечательно, что «M-Fuel» изобретатели испытали не только на автомобилях, но и работе дизельного генератора на электростанции (в Чили).
Следует отметить, что «EcoloCap» весьма осторожна в оценках преимуществ своего детища. Во всех ее пресс-релизах непременно присутствует примечание, в котором подчеркивается, что пока они носят характер лишь предположений, и что до окончательных выводов еще далеко.
«EcoloCap Solutions Inc.» известна как компания, специализирующаяся на применении нанотехнологий для производства альтернативных видов энергии. Штабс-квартира ее расположена в Баррингтоне (шт. Иллинойс). Летом этого года она подписала протокол намерений с «GFE Global Inc» на распространение «M-Fuel» в Центральной и Латинской Америке, а также за их пределами. При этом организуется продажа и необходимого оборудования – установок «NPU-60» мощностью 60 тонн в день, которые продаются по 850 тыс. долларов. Выбор этого региона, по словам директора «GFE Global Inc» Иосифа Блэка, не случаен, поскольку большинство стран в нем – за исключением Венесуэлы, своих запасов нефти не имеют, импортируют топливо, и поэтому оно там дорогое. Уже в этом году продажи начались в Коста-Рике, на очереди Никарагуа, Панама, Багамские острова и др.
Вечная слава воде!
Некоторые разработчики и вовсе предлагают отказаться от использования в двигателях бензина и солярки. По их мнению, с функциями этих нефтепродуктов вполне может справиться и обычная вода.
В частности, в американском университете Пардью (штат Индиана) придумали способ вырабатывать водород из воды непосредственно во время движения автомобиля. Суть изобретения такова. В специальный бак помещаются шарики из сплава алюминия и галлия. При поступлении воды алюминий будет окисляться, выделяя при этом водород, который и послужит топливом для машины. Функция галлия состоит в том, что он препятствует появлению на поверхности алюминия оксидной пленки, которая в обычных условиях не дает этому металлу взаимодействовать с водой. Изобретатели утверждают, что вода в данном случае вполне заменяет бензин, совершенно избавляя от вредных выхлопов. Правда есть существенный минус: дороговизна алюминия и галлия, что пока не позволяет говорить о конкурентоспособности данного ноу-хау.
Оригинальный способ езды на воде придумал американский инженер Джон Канзиус. Он создал аппарат, в котором соленая вода подвергается воздействию радиоволн, которые ослабляют связи между ее компонентами. Это ведет к выделению водорода, который с помощью искры воспламеняется и горит ровным пламенем, температура которого может превышать 1600 градусов. Канзиус заявляет, что вполне годится обычная морская вода. Естественно, никаких вредных выхлопов при работе такого аппарата не происходит. Как и в первом случае, переход идеи в область коммерческой практики пока осложнен экономическими аргументами: изучается, будет ли получаемая энергия превышать энергию, затраченную на генерацию радиоволн. В научном же плане изобретение Канзиуса называют самым значительным открытием о воде за последние сто лет.
Как бы то ни было, в водород активно инвестируют. В США уже с 2003 года действует программа государственной поддержки разработчиков водородных двигателей, под которую выделено 1,2 млрд. долларов. В Японии на разработку новых видов топлива правительство обязалось выделять ежегодно по 280 млн. долларов.