ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 23 страница

4. Во избежание образования конвективных токов, кото­рые способны препятствовать процессу осаждения, режим подогрева в цистерне должен быть стабильным и не сопрово­ждаться резкими колебаниями температур.

5. Большинство тяжелых топлив содержат в значи­тельных количествах асфальтосмолистые соединения, обла­дающие высоким поверхностным натяжением, способствую­щим образованию стойких водотопливных эмульсий. Вода в этих случаях не выпадает в осадок, и очистка топлива от во­ды становится весьма проблематичной. Рекомендуется при­бегать к использованию антиэмульгирующих присадок или отказаться от удаления воды и сжигать эмульсию в двигателе, применяя гомогенизацию или неоднократные прокачки топли­ва по замкнутому контуру (с целью добиться мелкодисперсно­го состояния композиции: размеры глобул не должны превы­шать 15...20 мкм).

В целях обеспечения надежности эксплуатации отстойной цистерны, она должна быть оборудована:

1) датчиками тревожной сигнализации по верхнему и ниж­нему предельным уровням;

2) датчиком максимально допустимой температуры подо­грева и показывающим термометром.

Сепарирование

Сепарирование топлив, также, как и процедура их отстаи­вания, основано на использовании факта различия плотностей топлива и загрязняющих его примесей. Эффективность работы сепараторов существенно выше эффективности работы систем отстаивания, так как в них в качестве разделяющих используют­ся центробежные силы, по величине на много порядков (в 15 тыс. раз) превышающие гравитационные.

Наибольшее распространение в настоящее время получили сепараторы дискового типа, производимые фирмами Альфа- Лаваль, Вестфалия и Мицубиси. Разгрузка барабана таких сепа­раторов происходит либо автоматически, по мере его заполне­ния, либо через заданные интервалы времени.

Рис. 11.10. Центробежный сепаратор топлива «Альфакс» фирмы Альфа-Лаваль

В сепараторы топливо поступает из отстойной цистерны, получив предварительный нагрев в паровом или электрическом подогревателе до температур, обеспечивающих вязкость менее 40 сСт. Температура выше 98°С недопустима, поскольку та­кой нагрев может привести к интенсивному испарению воды и нарушению водяного затвора сепаратора. Во избежание дегра­дации топлива, выражающейся в образовании на греющих по­верхностях углеродистых отложений, затрудняющий процесс теплопередачи, температура элементов нагревателей не должна превышать 170°С. Подогретое топливо поступает в сепаратор сверху через патрубок 1 (рис. 11.10), далее оно под действием напора движется по центральному каналу в нижнюю
часть барабана 10, приводимого во вращение электродвигателем посредством вала 9. В барабане топливо приводится во враще­ние и, по мере продвижения от периферии к оси вращения по узким щелям, образованным между тарелками 6, скорость дви­жения топлива увеличивается и приходит в соответствие с час­тотой вращения барабана. В щели между тарелками топливо попадает через отверстие в разделительном диске 8 и аналогич­ные отверстия в тарелках. В зависимости от размеров сепарато­ра, число тарелок составляет от 50 до 150 единиц, а зазор ме­жду ними в целях сокращения пути осаждения сокращен до

0, 5...0,6 мм.

При этом на некоторую частицу загрязняющих примесей массой т, движущуюся вместе с топливом в зазоре между та­релками (рис. 21, а), действует сила увлекающего ее потока Q₂ и центробежная сила Рц. Величина центробежной силы Р_ц опреде­ляет скорость осаждения загрязняющих примесей К_с, которая в соответствии с законом Стокса может быть выражена следую­щим образом

^ (Pw Ро)

Vr =

18 ц

D - диаметр капли, p_w - плотность тяжелой фазы, ро - плотность легкой фазы, ц - вязкость непрерывной фазы, гсо² - центробеж­ное ускорение.

Как видно из рис. 11.11 -а, по­ложение точки 2 близко к верхнему краю тарелки. Соответственно, су­ществует опасность того, что части­ца будет увлечена потоком чистого топлива, движущимся между тарел­ками в направлении оси вращения, и покинет сепаратор вместе с ним.

Рис. 11.11. Силы, действующие на частицу (механи­ческая примесь), движущуюся в потоке топлива в зазоре между тарелками сепаратора. Суммарная сила R₂ вырывает частицу из потока и прижимает ее к внутренней поверхности вышерасположенной тарел­ки в точке 2.

Гл. II. Топлива, топливная система, топливообработка____________ 363

Чтобы повысить эффективность процесса очистки и избе­

жать описанного выше явления, необходимо уменьшить силу потока до величины Q₂, суммарная сила при этом займет поло­жение силы R.

Практический совет - уменьшения силы потока Q можно достигнуть сокращением подачи топлива в сепара­тор и снижением его вязкости путем повышения темпера­турьа. Сокращение пропускной способности сепаратора при­водит к уменьшению скорости движения топлива в сепара­торе и увеличению времени его пребывания в нем, что также благоприятно отражается на качестве очистки.

Частица загрязнения, вырванная из потока топлива, при­жимается к внутренней поверхности вышерасположенной та­релки.

Здесь (положение 1) на нее продолжает действовать цен­тробежная сила Рц(рис. 11.11-6), которая может быть разложена на силу Р} прижимающую частицу к тарелке, и силу Р₂, под дей­ствием которой частица скользит по внутренней поверхности тарелки в сторону грязевого барабана. Скольжению частиц при­месей и самоочистке тарелок способствует также степень глад­кости их поверхностей. Чтобы избежать коррозии тарелки со­временных сепараторов изготавливают из нержавеющей стали, в сепараторах старых выпусков они были просто стальными с лу­женой поверхностью, что, конечно, снижало их долговечность.

Топливо, прошедшее сепарацию, поднимается вверх внут­ри пакета тарелок и выходит из сепаратора через патрубок 2 (рис. 11.10). При работе сепаратора в режиме пурификации (очистка от воды и механических примесей) отсепарированная вода отбрасывается к периферии барабана, где создает водяной затвор 7, а излишнее ее количество поднимается вверх над паке­том тарелок и, минуя диски напорный 4 и гравитационный 5, выходит из сепаратора через патрубок 3.

Граница раздела водяного затвора с топливом 11 должна располагаться у внешней кромки тарелок и ни в коем слу­чае не проходить по распределительным отверстиям или пра­вее от них.

В первом случае будет наблюдаться торможение потока топлива на входе в тарелки, что приводит к резкому ухудшению сепарации, а во втором - в зону очищенного топлива будет по­ступать вода.

Для создания водяного затвора в сепаратор по каналу 12 подводят воду, которая служит также для промывки барабана при его разгрузке. Обычно водяной затвор пополняется за счет воды, сепарируемой из топлива. Для поддержания равновесного положения между количествами воды, отбираемой из топлива (поступающей в зону гидравлического затвора) и уходящей из него, на выходе установлен гравитационный диск 5. Поскольку давление на границе раздела топлива с водой, а, значит, и поло­жение границы зависят от плотности топлива, размеры диска подбирают в соответствии с ней. Неправильно подобранный диск может вызвать смещение поверхности раздела «топ­ливо-вода» и нарушение эффективности сепарации.

Необходимость регулирования положения водяного затво­ра путем подбора гравитационного диска в новых моделях сепа­раторов «Алькап» (фирма Алъфа-Лавалъ) и «Секутрол» {Вест­фалия) полностью исключена, так как в них осуществлен пол­ный контроль за выходящим из сепаратора топливом и при по­явлении в нем воды в количестве более 0,2% автоматически увеличивается проходное сечение клапана, уменьшается также сопротивление на выходе воды из барабана. Расход воды из се­паратора возрастает, граница раздела смещается к стенке бара­бана (рис. 11.10) влево, захват воды топливом прекращается, и клапан приходит в исходное положение.

Следует помнить, что при сепарации вода активно отделя­ется от топлива, если разность плотностей воды и топлива достигает, по крайней мере, значения 30 кг/м³. Этот необхо­димый минимум обеспечивается для всех топлив, плотность которых лежит ниже 991 кг/м³. Таким образом, d = 991 кг/м³ представляет собой верхний предел плотности топлива, при которой еще возможно отделение пресной воды. 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 часа при сепарации топлива вязкостью 120...380 мм“/с. Для более вязких топлив, содержащих большое количество механических примесей, интервал времени между разгрузками не должен превышать 1...2 ч. В противном случае переполнение барабана может привести к прекращению очистки топлива, и неочищенное топливо пойдет в расходную цистерну.

В режиме нтарификации сепаратор работает без водяно­го затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно кларифи- катор, устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки.

Опыт показывает, что при последовательной работе сепа­раторов основная очистка осуществляется в пурификаторе (до 70% примесей отбирается в нем) и до 10% приходится на долю тарификатора.. 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 остаточных топливах, получаемых компаундированием остатков каталитического крекинга и вис- брекинга с керосиногазойлевыми фракциями, сепарацию реко­мендуется проводить в следующем режиме: два параллельно работающих на малой производительности пурификатора с последовательно включенным кларификатором.

Эффективность очистки в этом варианте достигает 80-90%, в то время как в варианте «один пурификатор-кларификатор» она составляет только 70%.

Рекомендации

1. Некоторые судовладельцы считают, что дизельные то­плива отличаются особой чистотой и не нуждаются в сепара­ции на судне. Это принципиально неверно, так как при транс­портировках, перекачках и хранении даже такого топлива не­избежно его загрязнение и поэтому сепарирование любого дистиллатного топлива совершенно необходимо.

2. Для повышения эффективности сепарации тяжелых топлив ее нужно производить при как можно более низкой вяз­кости топлива (не более 40 сСт). Для этого его необходимо топливо предварительно нагревать до возможно более высоких температур, не превышающих, однако, 98°С. Важно также, чтобы топливо как можно дольше находилось в барабане сепа­ратора, что достигается работой сепараторов с пониженной пропускной способностью.

3. Во избежание разрушения водяного затвора или попада­ния воды в очищенное топливо, нужно следить за соответст­вием технических параметров гравитационного диска плотно­сти сепарируемого топлива,

4. Наилучших результатов очистки можно достигнуть, если сепарацию топлива осуществлять в двух параллельно ра­ботающих на малой подаче сепараторах, настроенных на ре­жим пурификации, и, последовательно с ними - тарификатора.

Такая схема работы особенно по­

лезна при сепарации топлив_t содер­жащих алюмосиликаты. В этой связи важно еще раз отметить, что в послед­ние годы на суда поступает все в больших количествах топливо катали-

Рис. 11.12. Абразивные частицы алюмо-силикатов ™ческого крекинга, содержащее мел­кие, не удаленные в процессе произ­водства твердые частицы катализатора - алюмосиликатов. Их размеры лежат в пределах 15-5 и менее мкм.

Поэтому особенно важно соблюдать отмеченные выше правила сепарации топлив. При этом нужно учитывать, что ос­новная роль очистки топлив от мелких частиц алюмосиликатов ложится на сепараторы. Это видно из приведенного сопоставле­ния сепараторов и фильтров.

Фильтрация

Наряду с сепарацией, в комплекс топливообработки входит фильтрование топлива с применением фильтров грубой и тон­кой очистки.

Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насо­сами (топливоперекачивающими насосами, подкачивающими насосами сепараторов и циркуляционными насосами) в целях предупреждения их повреждения при попадании в топливо 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 частиц. Наибольший размер час­тиц загрязнений, пропускаемых фильтром, определяет так на­зываемую тонкость отсева. По этому показателю определяют три группы фильтров очистки топлива:

• предварительную - для предохранения топливной систе­мы от попадания случайных крупных загрязнений (фильтры пе­ред топливоперекачивающими насосами);

• глубокую - для удаления из топлива частиц размером бо­лее 40 мкм;

• тонкую - для удаления примесей размером более 6...15 мкм (с применением бумажных элементов - более 4...5 мкм).

Фильтр характеризуется также коэффициентом очистки

и степенью фильтрации, которая представляет собой отно­шение массы удаленных примесей к ее исходному значению:

Go " Gocm

К_ф= (11.8)

Go

где: G_ocm - масса примесей, оставшихся в продукте, прошедшем фильтрацию, Go- масса примесей в ее исходном значении.

На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильт­рационные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы могут быть либо поверхностными, либо объемными (емкостными).

Рис. 11.13. Фильтрующие материалы: А - поверхностные и Б - объемные.

В поверхностном фильтре (А) топливо подвергают очи­стке с осаждением примесей на поверхностях элементов, кром­ках ячеек или щелей. В качестве фильтрующего материала ис­пользуют сетку, листовую бумагу (фильтры ТФ), ткань. Иногда фильтрующий материал образуется пластинками, витками про­волоки или ленты (щелевые фильтры).

В объемном фильтре (Б) нефтепродукт пропускают через фильтрующий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Для изго­товления объемных фильтрующих элементов используют фетр, древесно-волокнистые материалы, металлокерамику, пористую бронзу. Объемные фильтры, в отличие от поверхностных, спо­собны удерживать большее количество грязи, они имеют более высокий коэффициент фильтрации и не способны засоряться внезапно.

Малый срок службы любых фильтрующих элементов из-за забивания их асфальтосмолистыми соединениями при фильтра­ции тяжелых топлив, невозможность отделения воды, потреб­ность в ручной очистке - послужили серьезным препятствием к использованию подобных фильтров на современных судах. На смену им пришли самоочищающиеся фильтрационные уста- новки, имеющие, по сравнению с сепараторами, существенные достоинства: малые энерго- и трудозатраты по их обслужива­нию; возможность автоматизации очистки; простота конструк-

ции и более высокая надежность в работе; независимость про­цесса очистки от разности плотностей топлива и удаляемых из него частиц механических примесей; меньшие потери горючей массы.

Создатели самоочищающихся фильтрационных установок, стремясь достигнуть высокой тонкости отсева частиц загряз­няющих примесей (до 5... 10 мкм), сталкиваются с проблемой быстрого загрязнения фильтрующих поверхностей асфальтена- ми, (находящимися в топливе в коллоидном растворе), размер мицелл которых близок к упомянутой выше тонкости отсева. Это вызывает необходимость частой промывки с использовани­ем противотока, что, в свою очередь, сопряжено с ростом потерь топлива, уходящего вместе со шламом. Отмеченное обстоятель­ство является существенным недостатком фильтрационных ус­тановок, по этой причине они не могут еще конкурировать с со­временными автоматизированными сепараторами.

Распределитель Фильтрующие элементы обратно в циркул. цистерну Рис. 11.14. Фильтр с самоочисткой фирмы «Альфа-Лаваль»

Фирма «Альфа-Лаваль» разработала и внедрила фильтр тонкой очистки топлива и масел, позволяющий избежать их по­тери при промывке.

Фильтрация топлива происходит во всех колонках фильт­рующих элементов, за исключением одного сектора элементов, скопившиеся в ней загрязняющие примеси смываются с их по­верхности обратным потоком топлива. Последовательный разво-

ворот распределителя, осуществляемый гидромотором, обеспе­чивает очистку всех секторов фильтров. Скопившиеся загряз­няющие примеси совместно с топливом направляются в уста­новленную на фильтре центрифугу (рис. 11.15), где под дейст­вием центробежных сил происходит его очистка.

При использовании фильтра для очисткитоплива он уста­навливается непосредственно перед двигателем за бустерной цистерной, дежурным насосом и подогревателем. Задача фильт­ра не пропустить прорвавшиеся через сепаратор механические примеси, которые могут вызвать крайне нежелательные риски и износы в прецизионных элементах топливной аппаратуры дизе­ля. Таким образом, его функция, как и функция обычных фильт­ров тонкой очистки, устанавливаемых перед двигателем, в за­щите на случай потенциальной угрозы.

Вращение ротора осуществляется силой струй масла, выте­кающих с большой скоростью из сопел. Загрязняющие примеси центробежными силами отбрасываются к стенкам ротора и на­ходящихся в нем дисков, и скапливаются на них. Периодически внутренняя полость ротора должна очищаться вручную.

Химическая обработка - присадки

Химическая обработка топлива заключается в вводе в топ­ливо присадок или их композиций, в функции которых входит уменьшение шламообразования, дестабилизация водо-топлив- ных эмульсий, снижение высокотемпературной коррозии выпу­скных клапанов, лопаток газовых турбин и др.

Борьба с осадко - и шламообразованием. Как уже отмеча­лось, тяжелым топливам присуща склонность к образованию отложений в танках запаса, фильтрах, подогревателях и других элементах топливной системы, в том числе и в сепараторах. Природа явлений такого рода связана с присутствием в топли­вах тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов). Обладая по­вышенной поверхностной активностью, тяжелые углеводороды группируются вокруг загрязняющих топливо примесей, глобул воды, образуя достаточно сложные структуры, размеры которых постоянно нарастают. Со временем эти структуры начинают выпадать в осадок в виде шлама на днище танка; они же осаж­даются на рабочих поверхностях топливной системы.

Один из путей борьбы со шламообразованием, с отложе­ниями в подсистемах хранения и переработки топлива состоит в введении в топливо химических присадок, содержащих мощные диспергаторы. Поверхностная активность последних сущест­венно повышает поверхностную активность содержащихся в топливе асфальтосмолистых соединений, выступающих в роли естественных коагуляторов и эмульгаторов. Благодаря отмечен­ному свойству, вещества присадок притягивают к себе смолы, обволакивающие структурные системы тяжелых углеводородов, и частично замещают их. Возникающее вследствие этого ослаб­ление поверхностного натяжения тяжелых углеводородов, а также расклинивающее действие введенных с присадкой дис- пергаторов приводит к разрыву этих структурных систем, их диспергированию и, благодаря этому, к предотвращению шла­мообразования.

В роли поверхностно-активных веществ (ПАВ) - дисперга- торов обычно используют растворимые в топливе органометал­лические соединения, вводимые в хорошо зарекомендовавшие себя присадки Vecom FOT-NW, Bunkersol-D, Perolin 622-DE,

Fuelcare, Gamabreak (Unitor) и др. Важное свойство ПАВ - присадок состоит также в защите металлических поверхностей от коррозии и образования на горячих поверхностях лаковых пленок.

Вводимые в топлива присадки-диспергаторы способству­ют не только борьбе со шламообразованием. Измельчая структуру находящихся в топливе тяжелых углеводородов, они способствуют более полному их сгоранию в цилиндрах. Проис­ходящее при наличии присадок замещение ими откладываю­щихся на нагретых поверхностях смол изолирует, в частности, поверхности прецизионных элементов от них и тем самым пре­пятствует лакообразованию, часто приводящему к заклинива­нию игл форсунок и плунжерных пар ТНВД.

Борьба с высокотемпературной коррозией. Проблемы борьбы с явлениями высокотемпературной коррозии, вызывае­мой продуктами сгорания топлива, наиболее тесно связана с проблемой обеспечения работоспособности выпускных клапа­нов дизеля и рабочего аппарата газовой турбины. Срок службы выпускного клапана до переборки в современных двигателях составляет 6...8 тыс. часов, что в 2...3 раза меньше ресурса даже такого нагруженного элемента как поршневое кольцо. Основная причина прогорания клапанов заключается в их высокотемпера­турной коррозии, протекающей под воздействием Na-V соеди­нений топлива (механизм протекания этого явления рассматри­вался выше).

Главными коррозионными и абразивными составляющими золы, образующейся в цилиндрах двигателя при сгорании тяже­лых топлив, являются: пятиокись ванадия, сульфат натрия и не­которые другие сложные соединения. Относительно низкая температура плавления большинства таких соединений опреде­ляет их коррозионную агрессивность. Установлено, что они наиболее агрессивны по отношению к металлам именно в жид­ком состоянии. Это не исключает, однако, возможности разви­тия коррозии и в газовой фазе. Помимо ванадия, в топливе со­держатся сера и натрий (в виде NaCl). Последнее соединение присутствует также и в капельках морской воды, поступающих с засасываемым двигателем воздухе. В больших количествах N_aCl может попадать в топливо при его обводнении морской водой.

В топливо также заносится сульфат натрия Na2S0₄. В зна­чительно больших количествах сульфат натрия с температурой плавления t_njl = 885°С образуется в процессе сгорания топлива при взаимодействии NaCl, SO2, кислорода и паров воды. Реак­ция взаимодействия тех же NaCl и S0₂ может происходить не только в цилиндрах дизеля, но и на лопатках газовых турбин, подвергающихся сульфидно-кислой коррозии. Т емпература плавления при взаимодействии ванадиевых соединений и на­трия понижается. Наиболее низких значений она достигает при образовании ванадия-ванадата натрия N₂0~V₂0₄r5V20b (t_njl= 625°С) и пента натрий-ванадата 5N2O-V2O4-IIV2O5 (t_njl = 535°С - см. рис. 12).

Процесс коррозии (окисления) протекает следующим обра­зом: Образовавшиеся в ходе реакции сгорания топлива соедине­ния натрия и ванадия, а также сульфаты Na₂S0₄ и пиросульфаты Na2S₂07 (температура плавления последних - всего 400°С) вме­сте с продуктами сгорания движутся к выпускному клапану. Ес­ли температура тарелки клапана и седла окажется ниже темпе­ратуры плавления этих соединений, то они минуют клапан и уходят из двигателя. Если же клапан и особенно его рабочая фаска (и седло) имеют высокую температуру (более 520°С), то эти соединения при соприкосновении с элементами клапана плавятся и прилипают к ним. Находясь в жидком состоянии, они вступают в реакцию с окисными пленками, защищающими кла­пан и его седло, разрушают их и окисляют металл.

Образующиеся на рабочем поле клапана рыхлые окисные структуры бомбардируются частицами сажи и золы, летящими с большой скоростью мимо клапана в общем потоке с продуктами сгорания. Их удары о клапан, в дополнение к коррозии, вызы­вают эрозию. В результате этого, на рабочих фасках и седлах клапана возникают раковины, бороздки по которым прорывают­ся горячие продукты сгорания. Это, в свою очередь, приводит к росту температуры металла, активизации коррозионно-эрозион- ных процессов и к местному выгоранию металла.

Для того чтобы избежать коррозии или уменьшить ее мас­штаб, необходимо, путем интенсивного охлаждения, понижать температуру клапана и его седла. В то же время следует иметь в виду, что переохлаждение клапанов (а такое часто происходит со стержнем клапана при работе на пониженных нагрузках) приводит к конденсации на нем серной кислоты, результатом чего становится возникновение типичных для кислотной корро­зии язвин.

В целях снижения эффекта прогорания клапанов и связан­ной с этим потери их плотности, а также для увеличения мото­ресурса, в топливо вводят металлоорганические присадки на базе магния (см. табл. 3).

К числу таких присадок относятся: Vecom FOT-SA, FOT- DA, Mark-IV, Valvecare (Unitor). Эти присадки препятствуют образованию агрессивных отложений натрий-ванадиевых со­единений на рабочих фасках клапанов, головках поршней и ло­патках турбонагнетателей, тем самым, уменьшая их коррозию и последующее прогорание. Входящий в присадку магний образу­ет окись магния: