Требования к обработке топлив в судовых условиях


Категория Применение топлив в судовых дизелях

В настоящее время при подготовке топлива наибольшее распространение получили методы очистки — освобождение топлива от воды, механических примесей и золы. К ним относятся методы отстаивания, сепарации и фильтрации.

До последнего времени предпочтение отдавалось сепарации, отстаивание и фильтрация рассматривались как дополнительные методы.

Кроме указанных, в последние годы появились новые методы обработки топлива: химический (введение присадок), обработка топлива в электрическом или магнитном поле и др., которые еще не получили широкого распространения, но тем не менее являются достаточно перспективными.

Одной из основных задач существующих методов подготовки является освобождение топлив от механических примесей, воды и золы.

Такая задача сформировалась в результате анализа, с одной стороны, влияния указанных примесей в топливе на показатели работы дизеля, а с другой — анализа тех методов и средств, которыми располагала судовая техника.

Анализ работоспособности основных узлов и деталей дизелей показывает, что от качества топлива зависит работа, главным образом деталей цилиндро-поршневой группы, топливной аппаратуры и выпускных клапанов.

Как видно из таблицы, наибольшее количество отказов падает на детали цилиндро-поршневой группы, топливной аппаратуры и выпускные клапаны.

На работу этих деталей основное влияние оказывают механические примеси (карбены, карбоиды и частицы неорганического происхождения), меркаптановые соединения серы, вода (особенно морская) и различные соли, которые при сгорании переходят в золу.

Однако до последнего времени судовая техника не располагала методами и средствами нейтрализации вредного действия всех перечисленных примесей. Достаточно эффективно был решен вопрос по снижению в топливе механических примесей, воды и (в меньшей степени) золы.

Механические примеси и зола. От количества механических примесей и размеров отдельных частиц этих прим/сей зависит работоспособность деталей цилиндро-поршневой группы и топливной аппаратуры.

Частицы органического происхождения (карбены и карбоиды) могут нарушать работу прецизионных пар топливных насосов и форсунок, вызывая зависание плунжеров и игл. Такие частицы заполняют зазор прецизионной пары и в результате их пластичной деформации и сцепления с трущимися поверхностями вызывают заклинивание движущейся детали.

Заклинивание плунжеров и форсуночных игл может происходить из-за попадания в зазор прецизионной пары также частицы неорганического происхождения (песок, ржавчина и др.).

Кольцевой зазор в прецизионной паре со стороны полости насоса или форсунки, находящейся под давлением топлива, всегда больше, чем с наружной стороны. В этот зазор частицы и увлекаются топливом. Если размер частиц меньше кольцевого зазора со стороны полости, находящейся под высоким давлением, но больше кольцевого зазора с наружной стороны прецизионной пары, то, двигаясь в сторону меньшего зазора, такая частица может вызвать зависание иглы.

Работа без зависаний обеспечивается в случае одинакового зазора по всей длине прецизионной пары.

Износ трущихся поверхностей деталей прецизионных пар зависит как от размеров частиц неорганического происхождения, так и от их количества в топливе.

Рис. 1. Схема попадания частицы механических примесей в зазор прецизионной пары

Рис. 2. Влияние размера частиц неорганического происхождения на износ прецизионных пар:
t — относительный срок службы сопряженных пар; d — тонкость отсева частиц фильтром, мкм

Механические примеси в топливе являются причиной абразивного износа деталей цилиндро-поршневой группы. Карбены и кар-боиды, попадая в цилиндры дизеля, способствуют образованию нагаров на стенках камеры сгорания, поршня и выпускного тракта.

Примеси неорганического происхождения, превращаясь при сгорании топлива в золу, вызывают абразивный износ трущихся поверхностей.

Таким образом, механические примеси и зольность топлива способны нарушить нормальную работу деталей и узлов (зависание плунжеров, форсуночных игл) и вызвать абразивный износ деталей прецизионных пар, цилиндро-поршневой группы и клапанов. Поэтому от этих примесей топливо необходимо освобождать и основным в подготовке топлива следует считать обеспечение необходимой тонкости отсева частиц механических примесей.

Вода. Пресная вода попадает в топливо при бункеровке судна на нефтебазе, морская — в процессе хранения его на борту судна.

Наиболее агрессивной по отношению к оборудованию топливной системы двигателя, в первую очередь по отношению к топливной аппаратуре, является морская вода. Кроме того, в связи с большим количеством солей она повышает количество золы, образующейся в результате сгорания топлива. В процессе сгорания ангидриды хлора, вступая в реакцию с парами воды, могут образовывать соляную .кислоту, которая в смеси с серной кислотой, также образуемой при сгорании сернистых топлив, способна вызвать усиленный коррозионный износ деталей цилиндро-поршневой группы.

Что касается пресной воды, то ее наличие в топливе не вызывает перечисленных выше отрицательных явлений, связанных с присутствием в топливе морской воды. Однако и она может вызвать, например, зависание плунжеров или форсуночных игл в результате попадания ее глобул на трущиеся поверхности деталей прецизионных пар и нарушения таким образом условий их смазки топливом.

В то же время имеются и положительные явления, связанные с присутствием в топливе воды. Это касается только средне- и высоковязких топлив, характерной особенностью которых является наличие в них остаточных продуктов переработки нефти, недостаточно полно сгорающих в цилиндре дизеля. Присутствующая в этих топливах вода в виде мелкодисперсных частиц способна улучшить сгорание топлива и, таким образом, снизить удельный расход его.

Механизм действия воды на улучшение сгорания топлива состоит в следующем. Мелкодисперсная глобула в топливе окружается слоем тяжелых компонентов топлива — асфальтенов и смол. Именно эти компоненты являются поверхностно-активными веществами и способны вокруг частиц — глобул воды образовать достаточно прочный, трудно разрушаемый слой тяжелых компонентов при впрыске топлива в цилиндр дизеля.

Такие частицы имеют ограниченный срок жизни, поскольку для испарения глобулы воды достаточна температура немногим выше 100°С.

Слой тяжелых компонентов топлива, обладая определенной прочностью, создает для глобулы условия, при которых ее испарение происходит мгновенно, в виде «микровзрыва».

Окружающий глобулу слой разрушается, и таким образам тяжелые компоненты дробятся на мельчайшие частицы, испарение которых происходит уже быстрее, а следовательно, и процесс сгорания распыленного топлива проходит плавно и с достаточной полнотой.

Таким образом, присутствие в топливе мелкодисперсных глобул воды улучшает сгорание его за счет дополнительного распы-ливания топлива в результате «микровзрыва» глобул.

Чтобы найти оптимальное решение по допустимому количеству воды в топливе, необходимо проанализировать образование водо-топливных эмульсий, их стойкость и влияние на работу механизмов в процессе эксплуатации.

Водо-топливная эмульсия может образоваться практически только в средне- и высоковязких топливах, т. е. в тех, которые содержат значительные количества асфальтенов и смол.

В то же время стойкость (неразрушаемость) эмульсий зависит от группового состава топлива. Наиболее стойкие эмульсии образуются в топливах с углеводородами ароматического ряда.

В парафинистых топливах хотя и образуются водо-топливные эмульсии, но они весьма непрочны и легко разрушаются, в частности в результате подогрева.

Таким образом, по своей структуре водо-топливные эмульсии можно разделить на три основные группы, образующиеся на основе: поверхностно-активных асфальтенов и смол; кристаллизации углеводородов парафинового ряда — парафинов; поверхностно-активных асфальтенов и смол и кристаллизации углеводородов парафинистого ряда.

Рис. 3. Влияние содержания золы Я в топливе на износ цилиндровых втулок

Водо-топливные эмульсии первой группы состоят из мельчайших глобул воды, окруженных слоем асфальтенов и смол. Отдельные такие образования объединяются в эмульсионную систему, состоящую из двух, трех и более глобул. Такая система образуется в результате механического сцепления отдельных образований, которые затем окружаются слоем асфальтенов и смол.

Образовавшиеся таким образом водо-топливные эмульсионные системы практически до 100 °С не поддаются разрушению. Такая система может быть разрушена только в результате механического воздействия или путем воздействия химических средств обработки (ввода присадок в топливо).

Рис. 4. Структуры ВОДО-ТОГ1ЛИВ11ЫХ эмульсий

Водо-топливные эмульсии второй группы состоят из глобул воды, заключенных между выпавшими в воде кристаллами парафина. Такая эмульсия образуется при остывании топлива. Глобулы воды в этом случае вследствие более низкой их теплоемкости (по сравнению с теплоемкостью углеводородов) сравнительно быстро остывают и служат центрами, вокруг которых и начинает кристаллизоваться парафин. Парафиновые углеводороды имеют более высокую теплоемкость среди углеводородов других групп, поэтому при остывании зона образовавшейся водо-топливной эмульсии имеет более высокую температуру, чем остальная часть топлива. В процессе нагрева топлива имеет место противоположное явление — температура зоны водо-топливной эмульсии меньше, чем остальной части топлива. В отличие от водо-топливной эмульсии первой группы водо-топливная эмульсия, образовавшаяся в результате выпадения кристаллов парафина, легко разрушается путем подогрева топлива до температуры выше 40—60 °С.

Водо-топливная эмульсия третьей группы обычно образуется в топливах, содержащих углеводороды как ароматического, так и парафинового ряда. Асфальтены и смолы таких топлив, обладая поверхностно-активными свойствами, затрудняют формирование кристаллов парафина, и топливо остается достаточно стабильным при изменении его температуры. При обводнении топлива эта стабильность нарушается. Глобулы воды, перемещаясь в топливной среде, при охлаждении отвлекают на себя часть асфальтенов и смол, создавая, таким образом, благоприятные условия для кристаллизации и выпадения парафина. Теперь мельчайшие частицы парафина, не окруженные (как это было в топливе, лишенном присутствия воды) асфальтенами и смолами, легко соединяются, образуя кристаллические решетки. Процесс перемещения асфальтенов и смол от частиц парафина к глобулам воды тем интенсивнее, чем больше скорость охлаждения топлива. Здесь решающее значение имеет разница теплоемкостей воды и парафина. Асфальтены и смолы более прочно соединяются с поверхностью охлажденных глобул, чем с поверхностью частиц парафина, имеющих более высокую температуру. Кроме этого, большое значение имеет электрический потенциал глобул воды, которые могут нести как положительный, так и отрицательный заряды. Диполи асфальтенов и смол более прочно удерживаются на поверхности электрически заряженных глобул воды, чем на поверхности электрически нейтральных частиц парафина.

Водо-топливная система третьей группы имеет более сложную структуру, состоящую из глобул воды, окруженных слоем асфальтенов и смол с вкраплением между этими образованиями кристаллов парафина.

По сравнению с водо-топливной эмульсионной системой первой группы система третьей группы легче разрушается путем подогрева топлива. Однако при этом отдельные образования глобул со слоем асфальтенов и смол не разрушаются. При неоднократном нагреве и охлаждении топлива может произойти разделение водо-топливной эмульсии третьей группы на две зоны: зону водо-топливной эмульсионной системы первой группы и зону водо-топливной эмульсионной системы второй группы.

Водо-топливные эмульсии всех групп содержат горючие компоненты топлива — асфальтены, смолы и парафины, удаление которых из топлива в процессе его подготовки нецелесообразно.

С другой стороны, образующиеся в топливе водо-топливные эмульсии системы способны нарушать работу сепараторов, фильтров и топливной аппаратуры. Особенно много трудностей возникает при использовании топлив, в которых образуется водо-топливная эмульсия первой группы.


Читать далее:

Категория Применение топлив в судовых дизелях