Андрющенко Сергей Петрович. Уменьшение выбросов оксидов азота с отработавшими газами судовых дизелей посредством применения эмульсии дизельного топлива с водой

Короткий опис

Андрющенко Сергей Петрович. Уменьшение выбросов оксидов азота с отработавшими газами судовых дизелей посредством применения эмульсии дизельного топлива с водой: диссертация ... кандидата технических наук: 05.08.05 / Андрющенко Сергей Петрович;[Место защиты: Новосибирская государственная академия водного транспорта].- Новосибирск, 2014.- 129 с.

Федеральное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Новосибирская государственная академия водного транспорта»
На правах рукописи АНДРЮЩЕНКО СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ
УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА
С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ
ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА С ВОДОЙ
Специальность 05.08.05 – судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Г.С. Юр
Новосибирск – 2014

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1 Актуальность проблемы уменьшения загрязнения атмосферного
воздуха отработавшими газами судовых дизелей 9
1. 2 Анализ основных направлений комплексного улучшения
экологических и экономических показателей существующего парка
судовых дизелей 18
1.3 Влияние свойств водотопливной эмульсии на экологические и экономические показатели судовых дизелей 28
1.4 Выводы по обзору. Постановка задач дальнейшего исследования 35
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ
ЗАРОДЫША ПАРОГАЗОВОГО ПУЗЫРЬКА В КАПЛЕ
ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ 37
2.1 Обзор и анализ работ в области изучения отличительных особенностей процесса микросмесеобразования ВТЭ в дизеле. Выбор основы для разработки теоретической модели 37
2.2 Физико-математическая модель парогазового пузырька находящегося в капле ВТЭ, помещенной в нагретую газовую среду 42
2.3 Численное исследование процесса роста парогазового пузырька в капле ВТЭ 48
2.4 Результаты исследования. Выводы 56
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МИКРОСМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ
БЕЗВОДНОГО ТОПЛИВА И ВТЭ. ПОЛУЧЕНИЕ
МИКРОГЕТЕРОГЕННОЙ ЭМУЛЬСИИ 57

з
3.1 Анализ основных характеристик ВТЭ и их влияния на рабочий процесс дизеля 57
3.2 Экспериментальное исследование процесса испарения капель ВТЭ в нагретой воздушной среде 63
3.3 Опытная установка для получения микрогетерогенной эмульсии дизельного топлива с водой 70
3.4 Основные результаты исследования. Выводы 75
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ДИСПЕРСНОСТИ ВТЭ НА ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЯ 76
4.1 Экспериментальная установка, методика проведения испытаний, анализ погрешностей измерений 76
4.2 Исследование рабочего процесса дизеля при работе на безводном топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии 82
4.3 Численное исследование рабочего процесса дизеля при помощи характеристик тепловыделения 92
4.4 Основные результаты. Выводы 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
Список литературы 110
Приложение 1 124
Приложение 2 129

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация посвящена решению проблем связанных с уменьшением загрязнения атмосферного воздуха судовыми дизельными энергетическими установками.
В ходе комплексного теоретического и экспериментального исследования сделано следующее:
1 В результате обзора опубликованных в печате работ отмечено, что эффективность применения ВТЭ с целью снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах повышается с уменьшением её дисперсности и увеличением количества воды в эмульсии. Однако при этом неизбежно увеличивается удельный расход топлива.
2 Отличительной особенностью процесса испарения капли ВТЭ от процесса испарения капли безводного топлива является наличие «микровзрывов». Динамика «микровзрыва» определяется скоростью роста зародыша парогазового пузырька, находящегося внутри капли эмульсии.
3 Разработана математическая модель процесса роста зародыша
парогазового пузырька в капле ВТЭ находящейся в нагретой газовой среде.
4 Выполнено численное исследование этого процесса при различных внешних условиях. Установлено, что с уменьшением дисперсности воды в эмульсии и при повышении тонкости распыливания скорость роста зародыша снижается, с повышением температуры и давления окружающей среды – увеличивается.
5 На экспериментальной установке изучены особенности процессов испарения капель безводного топлива и эмульсии дизельное топлива с водой в нагретой воздушной среде. Опыты подтвердили адекватность математической модели.
6 Изготовлена и испытана опытная установка для получения
микрогетерогенной водотопливной эмульсии.

109
7 Разработана и изготовлена экспериментальная установка для
проведения стендовых испытаний дизеля на безводном топливе и
водотопливной эмульсии. Разработана программа и методика испытаний,
выполнен анализ погрешностей измерений.
8 Проведены сравнительные испытания дизеля на безводном дизельном
топливе, грубой и микрогетерогенной водотопливной эмульсии. Испытания
проводились по винтовой и нагрузочной характеристикам.
По результатам испытаний отмечено, что на номинальном режиме, при переводе дизеля с безводного топлива на грубую эмульсию, концентрация оксидов азота уменьшилась в 1,3 раза, а удельный эффективный расход топлива увеличился на 43 г/(кВт·ч). При переводе дизеля на микрогетерогенную эмульсию, приготовленную на опытной установке, в сравнении с безводным дизельным топливом, концентрация оксидов азота уменьшилась в 1,4 раза, а удельный эффективный расход топлива всего на (4–5) г/(кВт·ч).
9 Проведено численное исследование характеристики тепловыделения
при работе на безводном топливе и эмульгированном топливе различной
дисперсности. Сравнительный анализ показал, что при работе на
микрогетерогенной эмульсии в начале процесса сгорания определяющее
влияние оказывают процессы микро и макросмесеобразования, а на
заключительной стадии увеличивается роль химического и каталитического
действия паров воды на горение топлива.
10 Результаты выполненных теоретических и экспериментальных
исследований подтвердили эффективность использования микрогетерогенной
эмульсии, для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами в
судовых дизельных энергетических установках.