аспирант
Пенза, Пензенская область, Россия
аспирант
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Цель исследований – оценить эффективность применения ультразвука для обработки компонентов дизельного смесевого топлива (ДСТ). Ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворения веществ, активизировать химические реакции, интенсифицировать технологические процессы. Использование ультразвуковых колебаний при обработке жидких сред придает им новые свойства, что обуславливает широкое применение ультразвука в различных производственных процессах. В настоящее время в качестве моторного топлива в дизелях автотракторной техники широко используется биотопливо. Одним из видов жидкого биотоплива является дизельное смесевое топливо (ДСТ), компонентами которого являются товарное нефтяное дизельное топливо и какое-либо растительное масло, производимое из масличных культур (рапс, рыжик, редька масличная, лен масличный, сурепица, горчица белая, соя, крамбе абиссинская и др.). Для смешивания нефтяного и раcтительного компонентов непосредственно «на борту» автотракторной техники обычно используют статические смесители, которые не обеспечивают в полной мере качественное смешивание компонентов и обработку ДСТ ультразвуком. Разработанный и изготовленный авторами ультразвуковой смеситель за счет высокочастотных колебаний пьезоизлучателя позволяет не только качественно смешивать биологический и нефтяной компоненты смесевого топлива, но и обрабатывать их ультра-звуком с частотой излучения 25 кГц с получением однородного мелкодисперсного состава, что приводит к меньшему снижению мощности двигателя и меньшему увеличению удельного эффективного рас-хода смесевого топлива по сравнению с работой дизеля на необработанном ультразвуком смесевом топливе.
ультразвук, обработка, смеситель, дизель, топливо, масло
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в различных производственных процессах. Проводятся теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. Причем научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазометрия, акустоэлектроника и другие [1, 2].
Исследованиями также установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворения веществ, активизировать химические реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы дает возможность не только повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, но и создать новые продукты с новыми свойствами. При достаточной плотности ультразвук влияет на физико-химические свойства продукта, поэтому создание устройств, позволяющих применять ультразвук, актуально для многих отраслей промышленности.
Цель исследований – оценить эффективность применения ультразвука для обработки компонентов дизельного смесевого топлива (ДСТ).
Задачи исследований – изучить механизм влияния ультразвуковых (высокочастотных) колебаний на изменение свойств ДСТ и на этой основе разработать ультразвуковой смеситель минерального и растительного компонентов ДСТ.
Материалы и методы исследований. Современные технологии наиболее часто основываются на реализации гетерогенных процессов, протекающих между двумя или несколькими неоднородными средами в системах «жидкость – жидкость» и «жидкость – твердое тело». К ним относятся процессы массообмена, процессы диспергирования, разделения жидкостей и суспензий, кристаллизации, предотвращения накипеобразования на поверхностях теплообменных аппаратов и трубопроводов, полимеризации и деполимеризации, а также различные химические и электрохимические реакции. Скорость протекания большинства гетерогенных процессов в обычных условиях очень мала и определяется величиной поверхности соприкосновения реагирующих компонентов
(рис. 1).
Ультразвуковые колебания обеспечивают сверхтонкое диспергирование (не реализуемое другими способами), увеличивая межфазную поверхность реагирующих элементов, приводя к интенсификации процессов в жидких средах. Возникающая под действием колебаний в жидкости кавитация и сопровождающие ее мощнейшие микропотоки, звуковое давление и звуковой ветер воздействуют на пограничный слой и «смывают» его. Таким образом устраняется сопротивление переносу реагирующих веществ и интенсифицируется технологический процесс.
Рис. 1. Механизмы ускорения процессов в гетерогенных средах [1, 2]
Наиболее интересными из гетерогенных процессов являются процессы ультразвукового (УЗ) эмульгирования (диспергирование жидкостей в жидкостях) и диспергирования (получение тонкодисперсных суспензий). Эти процессы связаны с увеличением поверхности взаимодействия и поэтому лежат в основе интенсификации множества других процессов.
Высокая эффективность ультразвуковых технологий в жидких средах обусловлена следующими причинами:
- условия ввода УЗ колебаний из колебательных систем с помощью специальных рабочих инструментов в жидкости наиболее благоприятные, по сравнению с введением УЗ колебаний, например, в газовые среды. Обусловлено это тем, что удельное волновое сопротивление жидких сред значительно (для воды в 3500 раз) больше, чем у газов и поэтому большая мощность излучается из колебательной системы в жидкость при одинаковой амплитуде колебаний инструмента колебательной системы;
- в жидких средах возникает и протекает специфический физический процесс – ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия, как на сами жидкости, так и на твердые тела в жидкостях. Аналогичного по эффективности воздействия физического процесса нет в твердых телах и газовых средах;
- ультразвуковая кавитация порождает большое количество эффектов второго порядка, которые, в свою очередь, также обеспечивают интенсификацию протекающих технологических процессов.
Эти обстоятельства привели к тому, что ультразвуковое воздействие получило наиболее широкое распространение при реализации технологических процессов, связанных с жидким состоянием реагентов.
Воздействие УЗ с частотой 20-100 кГц характеризуется разделением молекул и ионов с различной массой, искажением формы волны, появлением переменного электрического поля, капиллярно-акустическим и тепловым эффектами, активацией диффузии.
Результаты исследований. В настоящее время в качестве моторного топлива в дизелях автотракторной техники широко используется биотопливо. Одним из видов жидкого биотоплива является дизельное смесевое топливо, компонентами которого являются товарное нефтяное (минеральное) дизельное топливо и какое-либо растительное масло, производимое из масличных культур (рапс, рыжик, редька масличная, лен масличный, сурепица, горчица белая, соя, крамбе абиссинская и др.).
При обработке ДСТ ультразвуком обычно используют диапазон частот 16-32 кГц. После ультразвуковой обработки, например, вязкость уменьшается. Причем характер изменения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, поскольку наряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты, например, изменение трения между твердыми нерастворимыми примесями, находящимися в растворе [1]. Под действием ультразвука происходит также более легкое перемещение атомов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образованию кавитационных пузырьков.
Для адаптации дизелей серийно выпускаемой и находящейся в эксплуатации автотракторной техники к работе на ДСТ необходимо разработать смесители, которые обеспечивали бы не только очистку и качественное смешивание нефтяного и биологического компонентов, но и обработку ДСТ высокочастотными колебаниями с получением смесевого топлива однородного мелкодисперсного состава [3-7].
Авторами разработан, изготовлен и запатентован ультразвуковой смеситель компонентов минерально-соевого топлива [8], который содержит ультразвуковой излучатель 1 (рис. 2), размещенный в полости корпуса 2 смесителя, имеющего выходной канал 3 и два выходных канала 4 и 5, к которым подводится минеральный и растительный компоненты смесевого топлива для их смешивания и обработки высокочастотными колебаниями, формирующимися электронным блоком управления 6, электрически соединенным с излучателем, при этом ультразвуковой излучатель выполнен в виде дисковых пьезоэлементов 7, установленных в полости корпуса 2 с возможностью продольного перемещения в направляющих 8 верхней части крепежного приспособления 9, навернутого своим основанием 10 на резьбовой конец полого штуцера 11, ввернутого в осевое отверстие днища 12 корпуса 2 и выполняющего функции выходного канала 3.
Рис. 2. Ультразвуковой смеситель компонентов минерально-соевого топлива
(наименование позиций в тексте)
Работает ультразвуковой смеситель следующим образом. Постоянный ток напряжением 12 В (например, напряжением бортовой электросети автотранспортного средства) подается в цепь электронного блока управления 6, который формирует и подает высокочастотные сигналы на
ультразвуковой излучатель 1, выполненный в виде дисковых пьезоэлементов 7, установленных в направляющих 8 верхней части крепежного приспособления 9, размещенного в полости цилиндрического корпуса 2 смесителя вдоль потока минерального и растительного компонентов дизельного смесевого топлива. Ширина направляющих 8 крепежного приспособления 9 равна диаметру дисковых пьезоэлементов 7 ультразвукового излучателя 1. Основание 10 крепежного приспособления 9 имеет центральное резьбовое отверстие, с помощью которого приспособление 9 наворачивается на резьбовой конец полого штуцера 11, ввернутого в осевое отверстие днища 12 корпуса 2 смесителя и выполняющего функции выходного канала 3. Минеральный и растительный компоненты, поступая через входные каналы 4 и 5 в полость корпуса 2 смесителя и двигаясь в направлении выходного канала 3, подвергаются ультразвуковым высокочастотным колебаниям, что приводит к качественному смешиванию компонентов и получению однородного мелкодисперсного смесевого топлива. При этом происходит разрыв межмолекулярных связей атомов углеводородов и переход молекул водорода в более возбужденное спин-состояние, увеличивающее их реактивность. За счет появления эффекта кавитации наблюдается отрыв радикалов углеводородных групп от одного вида высших жирных кислот, содержащихся в растительном масле, и присоединение их к другому виду жирных кислот, что улучшает физико-химические свойства (плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и повышает энергетический эквивалент ДСТ.
Дисковые пьезоэлементы 7 излучателя 1 имеют возможность перемещаться по направляющим 8 крепежного приспособления 9 в продольном направлении, что наряду со съемной крышкой корпуса 2 смесителя обеспечивает доступ к пьезоэлементам 7 при их обслуживании.
На рисунке 3 показаны дисковые пьезоэлементы 1 излучателя высокочастотных колебаний и корпус 2 ультразвукового смесителя с размещенным в его полости приспособлением 3 для крепления пьезоэлементов 1.
Анализ проб обработанного ультразвуком ДСТ показал, что после трех суток отстаивания расслоения его на исходные компоненты не произошло, что свидетельствует о хорошем смешивании минерального дизельного топлива и растительного масла, а также об эффективности ультразвуковой обработки.
|
|
|
|
Рис. 3. Общий вид ультразвукового смесителя компонентов минерально-соевого топлива
(наименование позиций в тексте)
Заключение. Разработанный и изготовленный ультразвуковой смеситель за счет высокочастотных колебаний пьезоизлучателя частотой 25 кГц позволяет обрабатывать ультразвуком и качественно смешивать биологический и нефтяной компоненты дизельного смесевого топлива, что приводит к меньшему снижению мощности двигателя и меньшему увеличению удельного эффективного расхода топлива по сравнению с работой дизеля на необработанном ультразвуком смесевом топливе.
1. Уханов, А. П. Воздействие ультразвуковой обработки смесевого топлива на показатели тракторного дизеля / А. П. Уханов, Ю. В. Уханова, Е. А. Сидоров [и др.] // Наука в центральной России. - 2017. - №3 (27). - С. 48-56.
2. Василевский, А. В. Математическая модель ультразвуковой подготовки дизельного топлива к пуску двигателя в условиях низких температур / А. В. Василевский, В. М. Подчинок // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - №5. - С. 44-46.
3. Пат. 2503491 РФ, МПК В 01 F 5/06. Смеситель минерального топлива и растительного масла с активным приводом / Уханов А. П., Уханов Д. А., Сидоров Е. А., Хохлова Е. А. - №2012128420/05 ; заявл. 05.07.12 ; опубл. 10.01.14, Бюл. № 1.
4. Пат. 2486949 РФ, МПК В 01 F 5/06. Смеситель-фильтр минерального топлива и растительного масла / Уханов А. П., Уханов Д. А., Крюков В. В. [и др.]. - № 2012113657/05 ; заявл. 06.04.12 ; опубл. 10.07.13, Бюл. № 19.
5. Пат. 2377060 РФ, МПК B 01 F 5/06. Смеситель минеральных и растительных композиций моторного топлива / Уханов А. П., Уханов Д. А., Иванов В. А., Рачкин В. А. - №2007149172/15 ; заявл. 28.12.07 ; опубл. 27.12.09, Бюл. №36.
6. Уханов, А. П. Устройства для конструктивной адаптации дизелей автотракторной техники к работе на биоминеральном топливе / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, Е. А. Хохлова, А. А. Хохлов // Известия Самарской ГСХА. - 2016. - Вып.2. - С. 34-40.
7. Пат. 2426588 РФ, МПК В 01 F 5/06. Смеситель-дозатор топлива / Уханов А. П., Голубев В. А., Зыкин Е. С. - №2009141463/05 ; заявл. 09.11.09 ; опубл. 20.08.11, Бюл. №23.
8. Пат. 2629342 РФ, МПК F02M 43/00, F02M 27/08, В01F 11/02, В01F 3/08. Ультразвуковой смеситель ком-понентов дизельного смесевого топлива / Уханова Ю. В., Уханов А. П., Уханов Д. А. - № 2016140025 ; заявл. 11.10.16 ; опубл. 28.08.17, Бюл. № 25.
9. Быченин, А. П. Смесевое минерально-растительное топливо для дизелей / А. П. Быченин // Молодые ученые в решении региональных проблем АПК : сб. научных трудов. -Самара : Самарская ГСХА, 2005. - =С. 115-117.
10. Обоснование рационального состава смесевого минерально-растительного топлива для тракторных дизельных двигателей / Г. А. Ленивцев, Г. И. Болдашев, О. С. Володько, А. П. Быченин // Известия Самарской ГСХА. - 2008. - Вып. 3. - С. 76-81.
