Применение гидродинамических устройств в топливной системе дизелей обусловливается необходимостью повышения дисперсности, преобразования углеводородных молекул остаточных фракций мазута в более активные радикалы, ускоряющих в цилиндрах дизеля процесс сгорания.
Гомогенизация топлива непосредственно перед процессом сгорания, перевод рабочего процесса судовых дизелей на высокодисперсную водотопливную эмульсию в настоящее время интенсивно применяется практически всеми ведущими дизелестроительными концернами для повышения эффективности использования топлива и предотвращения загрязнения окружающей среды вредными примесями уходящих газов.
Водотопливная эмульсия является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющего процесс горения. Содержащиеся в топливе высокодисперсные частицы водной фазы при прогреве в цилиндре превращаются в паровые пузырьки, мгновенно дробящие топливные капли на мельчайшие частицы, которые быстрее прогреваются и интенсивнее взаимодействуют вначале с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, воспламеняются, и, перемешиваясь с кислородом воздушного заряда, ускоренно сгорают.
Находящаяся в составе эмульгированного топлива водная фаза может быть диссоциирована частично, в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания.
Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.
В ходе экспериментальных исследований установлено, что добавление к топливу 5-10% воды ускоряет процесс сгорания в 5-6 раз. Расширение дополнительных продуктов сгорания увеличивает работу газов в цилиндре двигателя.
Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали цилиндро-поршневой группы, газовыпуского тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу.
Повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул под воздействием ультразвуковой кавитации на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в высокотурбулентных вихрях способствует ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива.
Разработанные ЦЭТ "Гидротопливо" технологии для смешивания, обработки топлива в поле ультразвуковой кавитации и приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий применяются в топливных системах судовых дизелей, в котлоагрегатах промышленных предприятий, на нефтебазах.
Изготавливаемые в модульном исполнении установки комплексного диспергирования УКДГ-89М имеют производительность по готовому продукту 3,6-6,3 м3/ч, производительность по диспергируемому объему водной фазы 0,5-0,6 м3/ч, и обеспечивают основной размер частиц водной фазы в эмульсии 1-5 мкм.
С переводом рабочего процесса судовых дизелей на водотопливную эмульсию с водосодержанием 17-20% расход топлива сокращается на 12%, эмиссия окислов азота NOx уменьшается на 30-37%, сернистого ангидрида SO2 ? на 50%, сероводородов H2S ? на 50%, несгоревшие углеводороды отсутствуют.
С повышением эффективности использования топлива температура уходящих газов снижается на 8-10оС, соответственно уменьшается теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы. При работе установок в режиме гомогенизации расход высоковязкого обезвоженного топлива уменьшается на 5%. Отказов в работе гидродинамического оборудования не наблюдается, трудоемкость обслуживания незначительная.
С переводом работы котлоагрегатов на гомогенизированную, высокодисперсную эмульсию с водосодержанием 12-15% расход топлива сокращается на 6-8%, содержание вредных выбросов уменьшается, NOx на 40%, SO2 на 50%, H2S и несгоревших углеводородов в несколько раз.
Снижение расхода топлива в котлоагрегатах в основном достигается за счет сокращения подачи воздуха в топочное пространство, ускорения процесса сгорания топлива, увеличения теплопередачи от газов к греющим поверхностям, прекращения подачи пара к форсункам для распыления топлива, увеличения потока лучистой энергии, вследствие повышения температуры факела и резкого уменьшения нагарообразования на греющих поверхностях.
С переводом работы котлоагрегатов на эмульгированное топливо, изменения в динамике горения можно наблюдать визуально. Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30-35оС. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива.
Приготавливаемая на базе мазута водотопливная эмульсия с размерным рядом частиц 1-3 мкм, является коллоидным раствором, которая обладает высокой агрегативной и кинетической устойчивостью и равномерно распределяется в объеме цистерны для хранения топлива, следовательно, частицы водной фазы не выпадают в осадок.
Таким образом, вода, которая находится в нижних слоях емкостей и могла бы вызывать срыв процесса горения в котлоагрегатах, после эмульгирования в гидродинамических устройствах равномерно распределяется в объеме емкости, что повышает эффективность использования мазута.
В производственной деятельности ЦЭТ "Гидротопливо", во время сдачи гидродинамического оборудования в работу, имели место случаи, когда при переводе снабжения котлоагрегатов на топливо из новой емкости, вследствие большого количества воды, выпавшей в осадок, водомазутная эмульсия, поступающая к форсункам, имела в своем составе до 65% водной фазы. И только благодаря высокодисперсному эмульгированию горение в топках котлоагрегатов оставалось стабильным без срыва факела.
