Магнитно-импульсная обработка топлива

Магнитно-импульсная обработка топлива

Магнитно-импульсная обработка топлива

Магнитно-импульсная обработка углеводородных топлив, инструмента, деталей машин и рабочих органов технологического оборудования широко используется как для диагностики изделий, так и для повышения их качеств: упрочения и повышения надёжности их работы [4]. Перспективным является повышение экономической эффективности и экологических показателей топлива судновых энергетических установок при его магнитно импульсной обработке. Большинство исследователей отмечают изменение свойств топлива под воздействием магнитно импульсной обработки, но одни исследователи отмечают повышение экономической и экологической эффективности такой обработки (более 10-15%), а другие исследователи, наоборот, ухудшение характеристик топлива при его магнитной обработке. Исследования влияния магнитно импульсной обработки на характеристики топлива в настоящее время проводятся без выяснения механизма такой обработки, без досконального экспериментального изучения влияния параметров обработки на его физические и химичиские свойства. Проблема практического использования магнитно импульсной обработки топлива может быть решена в результате изучения механизма такой обработки и построения соответствующей физической модели.

Стоимость топлива за последние годы значительно возросла, а запасы органического топлива ограничены, распределены неравномерно и интенсивно вырабатываются. Проблема экономии в использовании топлива, а также экологические проблемы, связанные с продуктами его сгорания, относятся к наиболее актуальным сегодня проблемам. Магнитно импульсная обработка топлива позволяет существенно повысить его экономическую эффективность и экологические показатели, что и определяет актуальность предлагаемой работы.

Для уменьшения затрат на перевозку грузов морским транспортом, судовые двигателя переводят на наиболее дешевые высоковязкие сорта углеводородных видов топлива (мазуты), это малооборотные судовые дизели большой мощности, которые применяются в качестве главных двигателей и работают в основном на тяжелых сортах топлива. Тяжелые нефтепродукты представляют собой сложную коллоидную систему, смесь различных жидких и твёрдых органических и неорганических веществ: горючих, негорючих и внешнего балласта. Ассоциированные комплексы из высокомолекулярных парафиновых, полициклических, ароматических углеводородов, смол и асфальтенов образуют так называемые надмолекулярные структуры

Структура топлива содержит в качестве основного составляющего углеводород, а в качестве включений - скопления молекул воды, парафины, сераорганические соединения и механические примеси песка, глины и мелких частиц железа, имеющих определённую концентрацию и размеры. Вода, находящаяся в составе топлива при его горении испаряется, что приводит к отбору части теплоты горения. Наличие более 2% воды в топливе приводит к пульсациям горения и к разрушению рабочих поверхностей цилиндропоршневой группы. В результате постоянного окисления, полимеризации, химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые продукты и выпадают в осадок, который влияет на способность топлива к воспламенению, приводит к загрязнению продуктами сгорания цилиндропоршневой группы, выпускных клапанов, газотурбинных нагнетателей. Образующаяся при сжигании мазута зола, отлагаясь на поверхностях нагрева вызывает ускоренный износ трущихся поверхностей, затрудняют отвод тепла. Использование тяжелых сортов топлив в судовых дизелях вызвало ряд проблем, связанных с их эксплуатацией и топливоподготовкой [5]. Различными видами топливоподготовки можно уменьшать концентрацию воды и различных включений, регулировать размеры надмолекулярных структур, изменяя тем самым состояние дисперсной системы. Основным методом топливоподготовки на судах является сепарация и фильтрация. Недостатками таких методов является значительные потери горючих смолистых веществ и проблема утилизации отходов. Для экономии топлива и увеличения срока службы двигателей, а также для уменьшения выбросов вредных веществ, наибольшее распространение получили такие способа обработки топлива как использование присадок, катализаторов-активаторов и магнитно импульсной обработки. Использование присадок в топливо достаточно сложное, экологически вредное и дорогое. Поэтому иногда выгоднее покупать более дорогое, но качественное топливо, чем использовать присадки. Действие присадок и катализаторов-активаторов приводит к химическим реакциям и изменению структуры топлива на молекулярном уровне, изменению колебаний связей СН₂ - СН₃ групп. Из магнитных обработок более перспективной является магнитно импульсная обработка топлива.

Целью настоящей работы является изучение возможности использования магнитно-импульсной обработки топлива. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: раскрыть механизм магнитно импульсной обработки при учитывании особенностей свойств топлива, как жидкого диэлектрика.

Нефтепродукты (топливо, масла) относятся к диэлектрикам, на поверхности которых обычно накапливается заряд статического электричества. Носителями заряда в нефтепродуктах являются ионы, заряжённые частицы, пузырьки газа. Электроны легко прилипают к нейтральным молекулам и не существуют в свободном состоянии. Рекомбинация носителей заряда в топливе затруднена, поскольку заряды, взаимодействуя со средой, легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам. При нахождении в топливе инородных включений происходит их диссоциация, то есть превращение молекул в пару ионов. Вода, находящаяся в топливе и являясь самым сильным растворителем, облегчает ионизацию других примесей и увеличивает тем самым его электропроводность. Топливо можно рассматривать как неупорядоченную среду. Ограничения по концентрации акцепторов [1] в топливе, как неупорядоченной структуре, следующие:

а) как и в твёрдых телах, для применения температурного разброса ловушек расстояние между донорами и акцепторами в топливе должно быть намного больше расстояния между соседними атомами;

б) концентрация ловушек должна быть достаточно большой, чтобы между ними было малое геометрическое расстояние R, обусловливающее эффективную донорно-акцепторную рекомбинацию (ДАР) носителей заряда:

топливо экономический магнитный импульсный

 (1)

где: W_f - коэффициент ДАР; W_fo - некоторая постоянная, a_o - порядка расстояния между ближайшими атомами. В случае температурного разброса ловушек наиболее вероятное расстояние для удалённых донорно-акцепторных пар (R_m) определяется выражением:

 (2)

Энергия кулоновского взаимодействия между ловушками равна:

. (3)

В пространственной схеме ДАР носители заряда на границе неоднородности (включения) учитываются как положение ловушек с концентрацией N_a, N_d, так и положение свободных неравновесных и равновесных электронов с концентрациями - n, n_o и дырок - p, p_o, соответственно.

Доноры могут захватываться неравновесные и равновесные электроны n, n_o, а на акцепторы могут захватываться вследствие теплового разогрева и освобождаться с вероятностью W_a как равновесные, так и не равновесные дырки p, p_o. Отличительной особенностью полученного выражения для электропроводности - это возможность её долговременной релаксации (в течении нескольких суток). Такая долговременная релаксация электрических зарядов характерна для нефтепродуктов, как диэлектриков.

) При магнитно импульсной обработке топлива участие воды в его гомогенизации необязательно. Дробление топливных капель происходит за счёт разрыва связей в донорно-акцепторной паре на границе включений и в длинных полимерных цепочках органического топлива под воздействием импульсов магнитного поля.

) При магнитно импульсной обработке топлива энергия электромагнитного поля расходуется только на перемещение электрических зарядов противоположной полярности, расположенных на границах неоднородности и, возможно, в местах разрыва радикалов длинных молекулярных цепей. Таким образом, для концентрации энергии в локальных областях потребуется на несколько порядков меньшие её общие затраты. Сам механизм гомогенизации при магнитно импульсной обработке может быть аналогичным гидродинамическому методу.

) В процессе магнитно импульсной обработки полимерные цепочки органического топлива рвутся, образуя большое количество активных сторон молекул, которые вступают в процесс окисления одновременно и значительно быстрее. Образованные при разрыве связей в молекулах свободные радикалы имеют большую способность к возгоранию, чем замкнутые молекулы. Сера и парафины в процессе дробления образуют поверхностно-активные вещества, которые окружают микрочастицы эмульсии и препятствуют их дальнейшему слипанию. Происходит эмульгирование топливной смеси.

Эмульсированная смесь имеет лучшую теплотворную способность, более равномерные характеристики горения, что экономит углеводородное топливо, а при сгорании образуется меньше вредных веществ, чем при сгорании обычного топлива. Для наилучшего эффекта эмульсированная смесь должна иметь высокий уровень дисперсности, быть однородна (гомогенна) и не расслаиваться в течение несколько месяцев.

В работе рассмотрен процесс воздействия магнитно импульсной обработки на топливо, как неупорядоченное вещество. Наличие высокомолекулярных соединений и зарядов, имеющих ионную природу, возможность механического перемещения слоёв топлива, значительно усложняют в сравнении с твёрдыми телами процесс ДАР. В связи с более сложной структурой топлива и наличием слабых связей в молекулах, влияние электромагнитных полей на топливо более сильное, чем на твёрдые тела. Отсутствие теоретической модели процесса магнитно импульсной обработки топлива и соответствующей постановки эксперимента могут привести к наблюдаемым противоречивым его результатам.

Список литературы:

1. Богданов А.В., Малыгин Б.В., Бень А.П., Коновалов М.Ю. Влияние параметров МИО на донорно-акцепторную рекомбинацию носителей заряда в неупорядоченных структурах // Науковий вісник ХДМІ. 2011. - №2 (5). - С. 93-101.

. Богданов А.В., Малыгин Б.В. Электропроводность твёрдых тел по донорно-акцепторным парам // Вестник Херсонского технического университета, 2010. - №1 (37). - С. 28-32.

. Латутова М.Н., Лукина Л.Г. Топливо: учеб. пособие. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2005. - 35 с.

. Малыгин Б.В., Бень А.П. Магнитное упрочение изделий (теория и практика). - Херсон: Издательство Херсонского государственного морского института, 2009. - 352 с.

. Малыгин Б.В., Погорлецкий Д.С., Васильченко Г.Ю., Сапронов А.А. Методы повышения экологической безопасности в процессе магнитной обработки углеводородных топлив для двигателей внутреннего сгорания // Науковий вісник ХДМІ, 2011. - №2 (5). - С. 132-141.