Содержание к диссертации
Введение
1. Экологическая безопасность флота
1.1. Промысловое судно как причина чрезвычайных экологических ситуаций 18
1.2. Современное состояние проблемы переработки нефтесодержащих вод в судовых условиях 25
1.3. Тактика и стратегия предотвращения чрезвычайных экологических ситуаций на промысловых судах 32
1.4. Постановка задачи 38
2. Теория и практика получения водотопливных эмульсий
2.1. Теоретические аспекты диспергирования капель 39
2.2. Обоснование способа получения эмульсии 51
2.3.Выводы 60
3. Исследование гидродинамической кавитации при обтекании лопастей перемешивающих устройств ...
3.1. Гидродинамические особенности перемешивания в режиме развитой турбулентности 61
3.2. Структурные особенности вихревой системы 67
3.3. Возникновение вихревой кавитации 76
3.4. Результаты оптических исследований 93
3.5. Акустические характеристики кавитации 101
3.6. Моделирование кавитационного обтекания 114
3.7. Выводы по разделу 133
4. Кавитационные свойства судовых топлив и водотопливных эмульсий
4.1. Методика измерения кавитационных порогов 134
4.2. Влияние физического состояния топлив на их кавитационную прочность 142
4.3. Выводы 157
5. Оптимизация кавитационного эмульгирования
5.1. Эрозионная активность гидродинамической кавитации 158
5.2. Экспериментальные исследования процесса эмульгирования 168
5.3. Выводы 178
6. Теоретические основы технологии сжигания водотопливных эмульсий
6.1 .Физическая модель микровзрыва капель эмульсии 179
6.2. Термодинамические характеристики нагревания и вскипания капель водотопливной эмульсии 207
6.3. Выводы 224
7. Безотходные технологии утилизации нефтесодержащих вод в судовых условиях
7.1. Выбор технологической схемы и обеспечивающих её устройств 225
7.2. Опыт утилизации льяльных нефтесодержащих вод на вспомогательном котле КВС 30/ІІ-А 239
7.3. Модернизация топливной системы вспомогательных котлов VX-125 плавбаз проекта В-69 245
7.4. Система автоматической дозировки воды в топливе 256
7.5. Выводы 267
Основные выводы и результаты 269
Библиография 272
- Современное состояние проблемы переработки нефтесодержащих вод в судовых условиях
- Обоснование способа получения эмульсии
- Структурные особенности вихревой системы
- Влияние физического состояния топлив на их кавитационную прочность
Введение к работе
Актуальность проблемы. Чрезвычайные ситуации, связанные с загрязнением вод Мирового океана, помимо масштабных различий на местные, локальные, территориальные, региональные, федеральные и трансграничные [37, 67, 102, 135], можно классифицировать в зависимости от времени их протекания (рис.1). Единичные быстропротекающие ситуации (как правило это аварии и катастрофы судов) связанные с крупными разливами нефтепродуктов, сразу фиксируются и становятся центром внимания административных органов по чрезвычайным ситуациям разных уровней. При ликвидации таких ситуаций принимаются оперативные решения, реализуются заранее подготовленные планы, привлекаются технические и человеческие ресурсы.
[Разливы топлива при ^ дозаправках ,
Несанкционированные
сбросы нсфтесодержащих
отходов
Множественные, растянутые во времени
№.,
ГЁ'ь
Чрезвычайныешситуаипп
V '-- Mi.
Региональные
/ х \ і Единичные,
Ц-2^ЇЇІЬЇГ^^бь1ст^
[Локальные
Территориальные]
[ Федеральные J * -v
> ' ^Трансграничные J
Рис. 1. Классификация чрезвычайных ситуаций Но существуют другие, не менее опасные в экологическом плане, виды чрезвычайных ситуаций, которые условно можно назвать множественными и растянутыми во времени. Такие чрезвычайные ситуации возникают при экс-
плуатации практически всех отечественных и зарубежных судов, ведущих промысел и переработку сырья в российских промысловых зонах. Отсутствие постоянного авиационного и спутникового контроля над обширными акваториями делает возможным систематические сбросы с судов нефтепродуктов. Естественно, что если рассматривать единичное судно, то чрезвычайность ситуации не просматривается [8, 37, 61]. Одно судно сбрасывая ежесуточно несколько кубометров нефтесодержащих вод, не изменяет экологическую ситуацию даже на местном и локальном уровнях. Однако если эти единицы кубометров умножить на число судов одновременно находящихся в промысловой зоне, например тихоокеанского побережья России, то оценка влияния множественных, растянутых во времени событий представляется уже вполне чрезвычайной. Причём, не будучи, как правило, зафиксированными, эти микрокатастрофы не устраняются. Негативные экологические последствия накапливаются медленно, но направленно усугубляя чрезвычайность экологической ситуации [128].
По современным прогнозам, в недрах нашей планеты находится примерно 4,5-10м т нефти. Ежегодно человечество потребляет на свои нужды около 4 % этого количества, что составляет 7,2-109 т. По оптимистическим оцен-кам специалистов, не менее 5 %, т.е. 3,640 т добываемого жидкого углеводородного топлива снова попадает в окружающую среду с очевидными для неё экологическими последствиями [6].
Одно из лидирующих мест в глобальном процессе загрязнения нефтепродуктами среды обитания занимают дальневосточные территории Российской Федерации, промышленный потенциал которых во многом определяется морскими технологиями, в частности рыбохозяйственной деятельностью добывающих и перерабатывающих предприятий. Работа силовых и вспомогательных механизмов судов флота рыбной промышленности (ФРП) сопровождается появлением жидких отходов, содержащих судовые топлива и отработанные масла.
В силу сложившихся экономических условий контроль над процессами сдачи и переработки нефтесодержащих вод носит весьма формальный характер [148]. По приходу в порты декларируется минимальное количество льяльных вод, соответствующее паспортным параметрам агрегатов и устройств. В процессе промысловых рейсов производятся неоднократные сбросы льяльной нефтесодержащей воды в море, потому что штатные устройства утилизации топливных отходов в смеси с технологической водой являются малопроизводительными и неэффективными.
Наиболее сложными, с экологической точки зрения являются плавбазы: на них в условиях полной нагрузки силового и перерабатывающего оборудования скапливается в сутки до 8 т льяльных нефтесодержащих вод с 9 - 18 процентным содержанием нефтепродуктов. По самым приближённым и оптимистическим оценкам, на основе доступной информации судовладельцев, в акватории промысловых районов Охотского и Баренцева морей, где во время путины одновременно ведут промысел более 2 000 судов, ежесуточно попадает, как минимум, 300 - 500 т льяльных вод с превышением в сотни и тысячи раз предельно допустимых концентраций (ПДК) нефтепродуктов [61, 122], эти цифры, по мнению специалистов, значительно занижены.
Так, например, на плавбазах проекта В-69 в производственном режиме штатные цистерны для хранения льяльных вод заполнятся в течение первых 10-15 рабочих суток, а вновь образующиеся нефтесодержащие отходы удаляются ночами в условиях волнения за борт.
Ещё более удручающей является экологическая ситуация в прибрежных зонах вблизи мегаполисов. Интенсивность загрязнения нефтесодержащими отходами с каждым годом увеличивается. Это происходит в основном за счёт совершенно не контролируемого технического обслуживания автотранспорта. Например, в Петропавловске-Камчатском, который не является в этом плане худшим исключением. В среднем, на каждый автомобиль ежегодно только при смене масла, приходится 5 — 7 кг отработок, которые, в больший-
стве своём, сбрасываются в почву или городскую канализацию. В городе, так же как и в Камчатской области отсутствует экологический контроль над пунктами замены масла.
Исследования, связанные с разработкой методов и средств утилизации нефтесодержащих отходов производственной деятельности в судовых условиях, являются в настоящее время актуальными, особенно для прибрежных регионов, где экологическая обстановка в плане загрязнения нефтепродуктами находится в предкризисном состоянии.
Одним из перспективных способов утилизации загрязнённых нефтепродуктами вод является их сжигание в котлах, работающих на жидком топливе. Огневое уничтожение льяльных нефтесодержащих вод позволяет реализовать безотходные технологии, исключающие процессы переработки.
В настоящее время в научно-технической литературе имеется достаточно большое число работ, посвященных сжиганию нефтесодержащих вод. В работах исследователей России и стран СНГ В.М. Иванова [62-66], И.А. Тува [163, 164], О.Н. Лебедева [112-114], Б.Я Карастелёва [97], В.Н. Стоценко, О.П. Ковалёва [106], Агаева Ф.М.[1], И.Ф. Кошелева, А.П. Пимошенко [109] и др. показана возможность использования водотопливных эмульсий для питания котлов и дизелей. Вместе с тем отсутствие теоретического обоснования процессов, предшествующих воспламенению капель, привело некоторых исследователей к не совсем правильным выводам о том, что эффективность горения эмульгируемых топлив находится в прямой зависимости от их дисперсности. Эта не обоснованная идея укоренилась в теории и практике применения искусственно обводнённых топлив и даже повлияла негативно на формирование достаточно настороженного мнения специалистов. Присутствие воды в топливе всегда вызывало у практиков озабоченность.
Для реализации в условиях судна утилизации нефтесодержащих вод посредством их огневого уничтожения необходимы теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие создание устройств и технологий
получения эмульсии воды и топлива с заданными физико-техническими параметрами, не влияющими негативно на процесс горения, что и составляет предмет настоящей диссертационной работы.
Цель исследования. Разработка теоретических положений, технологических принципов и инженерных решений, обеспечивающих получение и последующее сжигание эмульсий на основе жидких штатных топлив и судовых льяльных нефтесодержащих вод с целью предотвращения чрезвычайных экологических ситуаций на судах ФРП.
Идея работы. Оптимизация способа приготовления водотопливных эмульсий (ВТЭ), степени их обводнения и дисперсности с позиций физических особенностей процессов прогрева, воспламенения и горения капель и необходимости утилизации максимально возможного количества отходов в судовых условиях
Задачи, решаемые в работе. Для реализации поставленной цели определены следующие задачи исследования:
анализ существующих способов предотвращения чрезвычайных ситуаций на судах флота рыбной промышленности и обоснование преимуществ разрабатываемой технологии утилизации нефтесодержащих вод путём их сжигания в виде водотопливных эмульсий в судовых вспомогательных котлах;
теоретическое обоснование способа и средств получения водотопливной эмульсии, обеспечивающих наиболее полную интеграцию в судовые топливные системы; оптимизация режимов получения эмульсии на основе комплексных исследований гидродинамических процессов, протекающих в быстроходных перемешивающих устройствах при наличии на их лопастях гидродинамической кавитации;
Теоретическое и экспериментальное обоснование оптимальной дисперсности водотопливной эмульсии с позиций горения капель эмульгированного топлива и необходимости сжигания максимального количества горючесмазочных отходов без существенного ухудшения теплотехнических парамет-
ров котлов, включая их коэффициент полезного действия и потребление штатного топлива;
доведение результатов теоретических и экспериментальных исследований до уровня технического проекта автоматизированной системы сжигания нефтесодержащих вод на борту судна; разработка инженерных методик расчёта проточных кавитационных смесителей и автоматических дозаторов воды в топливе, создание опытных образцов, их промышленные испытания и предъявление ведомственной комиссии и органам Морского Регистра.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методы и средства исследования гидродинамических особенностей перемешивания в быстроходных смесителях с целью классификации режимов обтекания лопастей и определения оптимальных условий кавитационного эмульгирования;
закономерности влияния физических параметров (газосодержания, вязкости, давления, температуры, наличия твёрдых примесей) нефтесодержащей воды и топлива на процессы возникновения и развития гидродинамической кавитации, а также на образование межфазовой поверхности при эмульгировании;
закономерности образования конкурентной фазы в малых объёмах перегретых жидкостей, находящихся в метастабильном состоянии;
физическая модель микровзрыва капель водотопливной эмульсии в процессе их нагревания в камерах сгорания вспомогательных котлов, которая даёт возможность оптимизировать параметры эмульсии по её дисперсности и объёмному содержанию воды;
принципы и методы инженерных расчётов устройств, исходя из необходимости их совмещения с существующими топливными системами крупнотоннажных судов, а также с учётом физико-технических характеристик штатного топлива и их зависимости от температуры, сорта топлива, объёмного содержания воды в эмульсии и газосодержания.
Научная новизна работы:
впервые проблема утилизации нефтесодержащих льяльных вод в судовых условиях решается на основе комплексных исследований физико-технических параметров получения и горения ВТЭ, исходя из необходимости сжигания максимально обводнённого топлива;
установлены закономерности получения, водотопливных эмульсий заданных параметров в проточных гидродинамических кавитационных смесителях, исходя из разработанных физических моделей поведения капель эмульсии в топках котлов, количественно определены критические кинематические и динамические параметры движения жидкостей, соответствующие условиям дробления капель воды в топливе;
предложена методика комплексного исследования структурных особенностей различных стадий развития вихревой гидродинамической кавитации в условиях высокоинтенсивного турбулентного движения;
впервые проведены исследования масштабных эффектов гидродинамической вихревой кавитации в механических смесителях, что позволило использовать результаты модельных экспериментов в конструкторских разработках;
экспериментально установлена зависимость эрозионной активности вихревой кавитации от параметров среды и обтекаемого тела, разработана физическая модель воздействия кавитации на процесс дробления капель;
впервые экспериментально на специально созданном аппаратурном комплексе, работающем в автоматическом режиме, определена кавитационная прочность широкого класса жидких нефтепродуктов и их водных эмульсий, что позволило обоснованно подойти к выбору режимов обтекания лопастей проточных кавитационных смесителей;
на основе теоретического анализа условий образования конкурентной фазы при перегреве жидкости разработана физическая модель процессов, предшествующих воспламенению капель водотопливных эмульсий, установлены закономерности микровзрыва капель на основании которых определены
величины оптимальной дисперсности и концентрации эмульсии, а также объяснены экспериментальные результаты, полученные ранее другими авторами; предложены и экспериментально подтверждены принципиально новые критерии выбора гидродинамических параметров устройств для приготовления эмульсий по проточной схеме, в основу которых положен анализ интегральных и спектральных характеристик гидродинамического шума, создаваемого быстроходными перемешивающими устройствами.
Научное значение работы заключается в переходе от традиционных технологий переработки льяльных нефтесодержащих вод к разработке безотходной технологии их утилизации путём сжигания в судовых вспомогательных котлах в виде водотопливной эмульсии.
Достоверность результатов проведенного комплекса исследований обеспечивается использованием прогрессивных современных методик эксперимента с получением документированных результатов в форме, допускающей дальнейшую цифровую обработку; корректным использованием принципов построения физических моделей, удовлетворительным качественным и количественным совпадением результатов развиваемых теоретических положений, экспериментов и данных опытной эксплуатации с ранее опубликованными материалами других авторов.
Практическая ценность работы заключается в разработке технологии и техники утилизации нефтесодержащих льяльных вод в судовых условиях, предотвращающих загрязнение промысловых районов Мирового океана. На основе комплекса гидродинамических и физических исследований предложены инженерные методики расчета основных конструктивных параметров проточных кавитационных смесителей. Теоретические и экспериментальные исследования доведены до уровня технического проекта автоматизированной системы сжигания нефтесодержащих льяльных вод, который согласован с органами Морского Регистра.
Использование результатов работы позволяет:
реализовать в условиях судовых систем топливоподготовки безотходную технологию утилизации нефтесодержащих льяльных вод в периоды межрейсового технического обслуживания и ремонта судов;
обоснованно подходить к выбору физико-технических параметров устройств для получения ВТЭ, исходя из энергонасыщенности данного проекта судна и условий оптимизации процесса нагрева и воспламенения капель;
осуществлять выбор оптимального технологического режима получения ВТЭ применительно к штатному сорту жидкого судового топлива, параметрам системы топливоподготовки и объёмам суточного накопления нефтесодержащих вод;
производить утилизацию нефтесодержащих вод в автоматическом режиме, позволяющем сохранять постоянство объёмного содержания воды в топливе при изменении нагрузок вспомогательных котлов;
реализовать конструкции проточных кавитационных смесителей в условиях береговых котельных и на теплоэлектроцентралях использующих в качестве топлива мазут;
решать на основе предлагаемых технологий и систем топливоподготовки стратегические вопросы уничтожения нефтесодержащих отходов в масштабах целых городов;
внедрять предлагаемые в диссертационной работе технологии и устройства не привлекая для их изготовления значительные материально-финансовые ресурсы, сложное специальное оборудование, а также высококвалифицированный обслуживающий персонал.
Реализация результатов. Данные по кавитационным характеристикам перемешивающих устройств, полученные автором, включены в руководящий технический материал (Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Метод расчёта. РТМ 26-01-90-76. СССР) Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методических раз-
работок и устройств, созданных на их основе, внедрены: институтом физики твёрдого тела АН СССР (пос. Черноголовка) в рамках внедрения результатов исследований по теме «Разработка физической модели воздействия кавитации на технологические процессы (№ гос. регистрации темы 81046492); предприятием п/я. Г-4956 (г. Санкт-Петербург); техническим управлением Краснознамённого тихоокеанского флота при переоборудовании топливной системы вспомогательных котлов корабля «Бородино»; предприятиями в/ч 95326 и в/ч 31328 путём установки разработанного под руководством автора проточного кавита-ционного смесителя ПКС-3 в топливную систему корабля КТОФ УТС-263; первомайским судоремонтным заводом на береговой котельной, использующей в качестве топлива мазут марки М-40; Холмской базой производственного и транспортного флота (ХБПТФ) на плавбазе проекта В-69 «Рыбак Балтики»; НТИ ЦПКТБ «Каспрыба»; Невельским морским рыбным портом; Преображенской базой тралового флота; Камчатским производственным объединением рыбной промышленности (Камчатрыбпром); закрытым акционерным обществом «Ак-рос»; базой океанического рыболовства (г. Петропавловск-Камчатский).
Техническая и конструкторская документация на технологию сжигания льяльных нефтесодержащих вод и устройства серии ПКС была отправлена по запросам следующих предприятий и организаций: Калининградская база рефрижераторного флота; Калининградрыбпром; Мурманская судоверфь; управление «Севрыбхолодфлот» (г. Мурманск), Пярнуский рыбокомбинат (г. Пярну); Совга-ванская база океанического рыболовства, судоремонтный завод (г. Советская Гавань), Рижская база рефрижераторного флота (г. Рига), предприятие п/я А-7106 (г. Красноярск-49); Калужский приборостроительный завод «Тайфун» (г. Калуга); ЦКБ «Изумруд» (г. Херсон); ЦКБ «Ленинская кузница» (г. Киев); предприятие п/я М-5261 (г.Санкт-Петербург); научно-исследовательский институт механики МГУ (г. Москва), предприятие п/я Г-4475 (г. Москва).
Апробация. Результаты научных исследований на различных этапах их выполнения были доложены: на заседаниях научно-технических советов ЦНИИ «Леннихиммаш» (г. Санкт-Петербург, 1975 г.); ЦНИИ «Гидроприбор» (г. Санкт-Петербург, 1976 г.); на учёном совете ЛТИ им. Ленсовета (Санкт-Петербург, 1977 г.); на заседаниях кафедр гидроакустики Таганрогского радиотехнического института (1974 г.) и Дальневосточного политехнического института (1974г.); на II Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания жидких сред (г. Москва, 1973 г.); на I Дальневосточной акустической конференции (г. Владивосток, 1974г.); на XXII, XXIII, XXIV научных конференциях ДВПИ (г. Владивосток); на Всесоюзной конференции «Океан» (г. Владивосток, 1976 г.); на Всесоюзной конференции по созданию аппаратов с активными гидродинамическими режимами (г. Москва, 1977 г.); на Всесоюзной конференции по применению ультразвука (г. Москва, 1978 г.); на краевой научно-технической конференции «Наука и технический прогресс в рыбной промышленности» (г. Владивосток, 1979 г.), на III Дальневосточной акустической конференции (г. Владивосток, 1982 г.), на IV Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области освоения Мирового океана» (Владивосток, 1983), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы экономии энергоресурсов и использование альтернативных топлив» (г. Ленинград, 1985 г.), на VII Всесоюзной конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах» (г. Санкт-Петербург, 1986 г.), на краевых конференциях «Проблемы научно-технического прогресса в рыбной отрасли» Петропавловск-Камчатский, 1987 -2002 г.г.), на научном семинаре НИИГТЦ ДВО РАН (г. Петропавловск-Камчатский 2002 г.)
Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в десяти работах, напечатанных в изданиях, соответствующих Перечню периодических научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук.По результа-
там исследований опубликована 1 монография, 4 учебных пособия, 73 научные публикации, 1 авторское свидетельство, 14 научно-технических отчёта по НИР.
Личный вклад автора. Все результаты, составляющие существо диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесён вклад, касающийся постановки задач, формулировки планов их реализации, а также последующего анализа полученных данных. Автор участвовал в выполненных исследованиях автор на протяжении 30 лет в качестве руководителя или ответственного исполнителя НИР.
Диссертация создана на основе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных в разное время под руководством автора в Дальневосточном политехническом институте им. В.В. Куйбышева, Дальневосточном техническом институте рыбного хозяйства (Дальрыбвтуз) и в Петропавловск-Камчатском высшем инженерно-морском училище.
Автор выражает свою благодарность Васильцову Е.А., Васильцову Э.А. за руководство работой в начальной её стадии. Автор признателен академику
Ильичёву В.И.| за полезные советы и замечания. Работа не могла бы состояться без участия в её выполнении коллектива учёных и инженеров-конструкторов: Зиборова С.Н., Шурипы В.А., Шмелькова В.В., Таратухина А.Ф.,
»
Дёмина В.И., Малкова В.Н., Ярошка СП, [Локтя В.Щ [Черноморцева Е.Т,
Филёва В.С
Структура и объём работы. Диссертация объёмом 284страницы машинописного текста состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 193 наименований, содержит 144 рисунка.
Современное состояние проблемы переработки нефтесодержащих вод в судовых условиях
Как было отмечено ранее, концентрация нефтепродуктов в льяльных водах, к которым относятся также балластные и промывочные воды, существенно расходится с предельно допустимыми концентрациями даже для обычных районов плавания, где Ер 100 мг/л, и уж тем более для особых районов с допустимой концентрацией нефтепродуктов в сбрасываемой воде Єр 15 мг/л [16, 53, 144]. Перед сбросом вод за борт концентрация нефтепродуктов должна быть снижена в десятки, а чаще — в сотни раз. В рамках судна существует несколько способов очистки воды от содержащихся в ней нефтепродуктов. .На рисунке 1.5 приведена схема четырёх основных вариантов попадания льяльной воды за борт судна.
Механическое отстаивание льяльных вод представляется самым простым и доступным способом уменьшения концентрации нефтепродуктов. Этот способ может быть более или менее эффективно реализован при начальных концентрациях углеводородных веществ Єр 1000 мг/л [61, 164, 181]. Длитель ное (сутки и более) отстаивание позволяет в некоторых благоприятных ситуациях снизить концентрацию ГСМ до єр = 40-100 мг/л. Большое значение для процесса отстаивания, в котором используется эффект силы Архимеда, имеет разность плотностей воды и нефтепродуктов. На сферическую частичку нефтепродукта радиусом rF и плотностью pF, взвешенную в воде с плотностью pw действуют три силы: сила тяжести mg, сила Архимеда FA и сила сопротивления движению Fs. Поскольку значение числа Рейнольдса для всплывающих капель топлива Re 1, справедлив закон Стокса. В проекции на вертикальную ось сумма действующих на каплю сил определится как
Скорость всплытия капель, при прочих равных условиях, зависит от разности плотностей нефтепродуктов и воды. Распределение частиц по размерам в пробах льяльных вод показано на рисунке 1.6, где обобщены данные работы [109] (гистограмма) и наши наблюдения (сплошная кривая). Как видно из приведенных данных, эмульсия достаточно мелкодисперсная. Принимая, что PF = 900 кг/м , Гр = 3-Ю м, pw =10 кг/м , pw=bl0 Па-с, по уравнению (1.1) полу о чается, что капли топлива всплывают с vp = 1,25-10 м/с. Другими словами, за сутки вертикальное перемещение такой капли составит всего 1 мм. Учитывая, что отстаивание в танке происходит при наличии интенсивных вибраций и перемещений нефтесодержащих вод вследствие качки, можно с уверенностью сказать, что при отстаивании всплывут только крупные капли с гр 500 мкм, число которых в судовых нефтесодержащих водах невелико.
Согласно данным работы [61], отстаивание эффективно только в том случае, когда скорость всплытия капель топлива составляет vF = 4-6 мм/с. С целью ускорения процесса в отстойниках предусматриваются устройства, ликвидирующие крупномасштабные течения воды в камере отстойника. На рисунке 1.7 показаны конструкции простого отстойника и отстойника со слоистой структурой движения капель НП в воде. Организация всплывания частичек нефтепродуктов по наклонным каналам уменьшает продольное перемещение и предотвращает циркуляционные потоки. Вертикальная составляющая скорости в каналах составляет примерно vF = 0,004-0,006 м/с. Если предположить, что ис Рис. J.8. Устройство фильтра [61] пользуется отстойный танк высотой h = 2 м, с углом наклона каналов а = 60, то время всплытия по минимуму составит! = h/vFcosct = 17 мин. Другими словами, производительность отстойных устройств при разумных, в масштабах судна, габаритах будет не очень велика. Таким образом, процедура отстаивания используется только как предварительный этап очистки. Следующей за отстаиванием операцией в ряде проектов судов применяются устройства, реализующие процесс коалисценции (рис. 1.8). На пути вертикального подъёма частичек нефтепродукта в отстойной полости 1 помещается фильтр 2, выполненный из материала с достаточно высоким значением краевого угла. Волоконная или губчатая структура фильтра и особенности поверхности обеспечивают прилипание капелек и их постепенное укрупнение до размеров, когда сила Архимеда превалирует над суммой остальных сил, FA Fs + mg. Слившиеся воедино несколько капелек отрываются от вещества фильтра и всплывают на поверхность отстойной полости, откуда при открытии крана 3 удаляются для дальнейшего использования или переработки. Производительность таких фильтров невелика, т.к. скорость всплытия частичек нефтепродуктов должна иметь величины порядка vF= 0,0015-0,003 м/с.
После коалисцирующих фильтров из поролона, волокнистого полипропилена или гранулированных материалов (песок, полиэтиленовая крошка) получают на выходе вполне очищенную воду с єр 15 мг/л. Самым большим недостатком этого способа очистки является необходимость частого прерывания процесса для смены фильтров: они забиваются и теряют пропускную способность. На судах ФРП распространение получили выпускаемые промышленно стью сепараторы типа СКМ. Ряд сепараторов СКМ насчитывает 6 моделей, м3/ч). Все сепараторы рассчитаны на очистку ЛНВ до Єр = 100 мг/л. Производительность сепараторов СКМ определяется количеством коалисцирующих элементов, число которых колеблется от 2 до 12.. Сепараторы СКМ оборудованы средствами автоматики и могут в соответствии с паспортными данными функционировать без вмешательства обслуживающего персонала. Коалисци-рующие элементы, вес которых в «сухом» состоянии колеблется в зависимости от типа между 163 кг и 257 кг, чрезвычайно критичны к технологии их монтажа [109]. Паспортный ресурс элементов составляет 100 часов, но на практике, вследствие наличия в ЛНВ неотделяемых мелких механических примесей, элементы засоряются гораздо за меньшее время. Это является одной из причин неохотного включения во время рейсов сепаратора.
На судах ФРП получили распространение также и сепараторы RWO, которые (рис. 1.9) представляют собой комбинацию гравитационного (с использованием эффекта всплытия) и коалисцентного способа очистки. Первая ступень очистки 2 представляет собой гравитационный сепаратор. После отстойника предварительно очищенные ЛНВ поступают на коалисцирующие фильтры, расположенные во втором самостоятельном объёме 7. Сепараторы этого типа обеспечивают очистку ЛНВ до уровня eF = 15 мг/л. Так же, как и у СКМ, коалисцирующие элементы засоряются, и их необходимо чистить по специальной технологии, применяя ДЛЯ ЭТИХ 2 целей в качестве растворителя дизельное топливо. На практике вторая сту- t пень, требующая повышенного внимания со стороны обслуживающего пер- Рис , р Комбинированный способ сонала, отключается, и RWO превра- оцистш ecenapamopeRWO [109] щается в обычный отстойник, дающий на выходе воду с Єр 100-150 мг/л.
Более эффективным, с эксплуатационной точки зрения является флотационный способ очистки [121], основанный на увлечении всплывающими пузырьками газа (воздуха) частичек нефтепродуктов. Хорошие результаты были получены для устройств, использующих кавитационный принцип создания транспортирующего потока парогазовых полостей (рис. 1.10)..
Обоснование способа получения эмульсии
Перед тем как приступить к анализу методов и средств получения эмульсий, целесообразно сформулировать требования к технологии их приготовления применительно к судовым системам топливоподгртовки. С эксплуатационной точки зрения, идеальной является технология, при которой эмульсия получается непосредственно перед её сжиганием, т.е. по проточной схеме (рис. 2.3). Вода W и топливо F одновременно подаются в эмульгатор, а на его выходе получается эмульсия (W + F)Em, готовая к употреблению. Время отстаивания в этом случае сведено к минимуму. Как отмечалось ранее, получения эмульсии водотопливные эмульсии являются термодинамически неустойчивыми системами. После прекращения ввода энергии от внешнего источника процесс дробления капель довольно быстро сходит на нет, а процессы укрупнения капель продолжаются. Кроме того, капли воды после затухания турбулентных движений в рабочем объёме начинают оседать. Скорость оседания капель в эмульсии определяется критериями Архимеда и Рейнольдса [119]: где VE - коэффициент кинематической вязкости эмульсии, определяемый «поправкой» Эйнштейна через объёмное содержание воды в топливе ф, кинема тическую вязкость топлива vF и воды V\y: Критерий Рейнольдса для всплывающих капель при Аг 36 вычисляется по уравнению Re = Ar/l8, скорость осаждения капель воды в топливе определяется следующим уравнением: деляется следующим уравнением:
Например, для эмульсии с ф = 0,2, vF= 9-Ю 6 м2/с, vw= МО"6 м2/с капли воды с rw = 5-Ю"4 м в дизельном топливе погружаются с постоянной скоростью Vw = 7,5-10"3 м/с. Другими словами, эмульсия с течением времени станет расслаиваться, вода будет скапливаться в нижней части предоставленного ей объёма.
Накопительная схема, при которой эмульсия готовится порциями впрок (рис. 2.4), предусматривает сначала заполнение расходной ёмкости, а потом, после накопления нужного количества, эмульсия подаётся в топливную систему. Такая схема обладает рядом недостатков, самым главным из которых является нестабильность дисперсного состава во времени и возможность попадания в топливную систему чрезмерно обводнённого топлива. Схема используется в том случае, когда производительность эмульгатора меньше расхода штатного топлива силовой установкой.
Для получения мелкодисперсных эмульсий иногда используют несколько последовательно включенных эмульгаторов. Чаще всего этот вариант (рис. 2.5) реализуется устройствами разных типов. В первой ступени осуществляется предварительное перемешивание компонентов, а в последующих ступенях - постепенное уменьшение дисперсности эмульсии до заданного значения. Эта схема тоже представляется рациональной, т.к. позволяет, по сути, реализовать проточный вариант получения эмульсии. В современной судовой практике при экспериментах с водотопливными эмульсиями часто использовались устройства, не предназначенные для полу чения эмульсий воды в топливе. Поэтому применяется циклическая схема, причём в худшем её варианте, когда компо- . . ненты прогоняются посредством дополни о о о о раз (рис. 2.6). Для того чтобы реализовать проточные схемы приготовления водотоплив-ных эмульсий, необходимо иметь эмульгаторы с соответствующими параметрами. Рассмотрим далее характеристики некоторых ти- Рмс 2.6. Циклическая схема пов эмульгаторов.
Всё многообразие методов и средств получения эмульсий, по нашему мнению, в конечном счете сводится к оптимизации уравнения (2.13) и выполнению условия (2.23). Особый интерес в этой связи представляют методы эмульгирования, основанные на концентрации энергий и температур в локальных объёмах. Прежде всего речь идёт о способах, обеспечивающих высокоинтенсивные пульсации давления в рабочей среде, достаточные градиенты скорости и эффекты локализации энергии. Всеми перечисленными свойствами обладают устройства, создающие в эмульгируемых жидкостях высокоинтенсивные волны звукового и ультразвукового диапазона [14,166, 150,167- 171].
Акустические устройства принято классифицировать по типу используемого ими излучателя (рис. 2.7). Наиболее высокоинтенсивные поля создаются магнитострикционными преобразователями. Следует заметить, что для целей эмульгирования в современных акустических технологиях применяются режимы, при которых в жидкости возникает пузырьковая форма кавитации. Современные образцы технологического оборудования с магнитострикторами обеспечивают величину удельной мощности до ш = 5-Ю4 Вт/м3. Озвучиваемые объёмы жидкости составляют V = 1-Ю 3 м3 при потреблении от внешних источников электрической мощности порядка Рэ = 3,5 кВт. Пьезокерамические преобразователи в промышленных технологиях не нашли столь широкого, как магнитострикторы, применения. Недостаточная механическая прочность и критичность к перегреву не позволили им распространиться дальше исследовательских лабораторий и опытных образцов, хотя пье-зокерамика позволяет более гибко управлять размерами, формой и частотными параметрами излучающих устройств
Несмотря на то что эмульгаторы, использующие акустические высокоинтенсивные волны, позволяют получать самые мелкодисперсные эмульсии, в современных судовых условиях их эксплуатация встречает некоторые принципиальные трудности.
Во-первых, производительность ультразвуковых эмульгаторов, выпускаемых промышленностью, несоизмерима с расходом топлива в судовых системах топливоподготовки [151]. Применение магнитострикционных эмульгаторов в проточных схемах не представляется возможным.
Структурные особенности вихревой системы
Теория вихревых движений жидкости в настоящее время разработана только для относительно простых случаев обтекания [152,165]. Вихревое движение может возникать в свободном течении жидкости вследствие влияния вязкости: отдельные микрообъемы ламинарно движущейся жидкости, принадлежащие разным слоям, имеют неодинаковые значения количества движения, что приводит, в конечном счёте, к возникновению градиентов давления [36, 101], т.е.
Наличие градиента давления приводит к искривлению траекторий движения, т.е. к беспорядочному разрушению поверхностей раздела. Возникновение вихрей наблюдается также и при обтекании тел произвольной формы, обладающих гидродинамическим сопротивлением. Вихри и в этом случае возникают потому, что есть поверхности раздела. Даже ламинарный поток на пло-хообтекаемых телах, таких как шар, цилиндр, пластина, расположенная перпендикулярно вектору скорости набегающей жидкости, имеет точку раздела. На рисунке 3.8 видно, что набегающий на лопасть шириной Ьл поток разделяется на два, которые встречаются за тыльной стороной и образуют систему из двух вихревых шнуров. Скорость частицы жидкости представится как
Вращение жидкости вокруг оси х становится возможным при условии 0. (3.3) Другими словами, изменение величины vz в положительном направлении оси у должно сопровождаться изменением vy в отрицательном направлении оси z. Если сйу - величина угловой скорости жидкости в вихре площадью dsv, то интенсивность, или его напряженность, определяется известным уравнением [25]:
Дальнейшее рассмотрение вихревого шнура с целью упрощения модели проводится в предположении, что интенсивность Jv не меняется по длине .е. в меньшем сечении возникает большая угловая скорость. Условие (3.5) в рассматриваемом случае не вполне корректно, т.к. бесконечно малая площадь вихря соответствует бесконечно большой скорости жидкости, т.е. вихри не могут заканчиваться в объёме жидкости. Исчезать вихревое движение может только на стенках сосуда или свободной поверхности. Кроме того, наряду с вращением в плоскости {ZOY} наблюдается поступательное перемещение вдоль оси ОХ со скоростью vx.
Модуль и направление вектора скорости исследуемой частицы жидкости М (рис. 3.9) на основании уравнения (3.8) запишется так: частицы равно нулю, потому что развиваемая модель строится в предположении стационарности составляющей скорости vx = const, однако, строго говоря, эта величина тоже зависима, и прежде всего от расстояния до оси вращения.
Так как линейная скорость набегающего потока vL = 27ІПГІ (рис. 3.10) зависит от п, то dvx/dt 0, т.е. скорость частицы меняется в зависимости от её положения на протяжении лопасти. Нормальное ускорение позволяет определить радиус кривизны траектории Уравнение (3.16) указывает на постоянство радиуса кривизны частицы, кото рая при 3vx/dt = 0 действительно имеет место, как для всякой винтовой ли нии постоянного шага. Увеличение составляющих vx и VL при движении час тицы в вихревом шнуре приводит к тому, что вихрь перестаёт быть цилинд рическим, параллельным плоскости лопасти, а начинает отклоняться от её по верхности, так что его центральная линия принимает криволинейную форму, близкую к параболе. На рисунке 3.10 показана схема вихревой системы за лопа стями мешалки, наблюдаемая нами на экспериментальной установке с непод вижным оребрённым сосудом диаметром DA = 0,5 м и вращающейся мешал кой. В описываемых далее экспериментах лазерный осветитель был заменён стробоскопическим источником света с ксеноновой лампой, имеющим воз можность внешней синхронизации. Частота вспышек могла регулироваться в пределах от 0 до 400 Гц. Стробоскоп марки СО-400 был любезно предостав лен для испытаний СКТБ «Бриз» Та ганрогского радиотехнического инсти тута, где он был разработан и изготов лен. Синхронизация вспышек осущест влялась внешними управляющими им пульсами, генерируемыми счётчиком частоты вращения приводного вала пе ремешивающего устройства. Стробо скоп позволял регулировать не только длительность вспышек, но и их скважность, что позволяло фиксировать лопасть в любом положении, используя Рис 3 w Схема вихревой системы при фотографировании большие вы- лопасти держки. На рисунке 3.11 показана фотография вращающейся лопасти, которой соответствует значение кри терия Рейнольдса Rec = 1,15-105. Эксперименты проводились в дис тиллированной отстоянной воде. Этот режим соответствует началь ным стадиям кавитации, появление Рис. 3.11. Вихревая кавитация которой непосредственно связано со структурой вихревого обтекания. Скоп ления кавитационных пузырьков расположены, по нашим представлениям, в центрах вихревых шнуров, что подтверждает предложенную выше кинемати ческую модель течения жидкости за лопастями мешалки. Рассмотрим далее некоторые динамические особенности развития вихревой системы, полагая для простоты лопасть пластиной, расположенной перпендикулярно набегающему потоку. Поле скоростей, индуцированных одним вихревым шнуром, определяют, используя закон Био-Савара. Рассмотрим частичку жидкости N, расположенную вне вихревого шнура (рис. 3.12), с целью определения параметров её движения, индуцированного вихрем [101,152]:
Влияние физического состояния топлив на их кавитационную прочность
Известно [69, 104, 117, 139], что кавитационная прочность жидкости, будучи измеренная любым известным способом, не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от внешних условий, внутреннего состояния и имеет, по сути, вероятностный смысл. В упомянутых выше работах вопрос о кавитационной прочности обсуждался, как правило, на примере дистиллированной или водопроводной воды, только в работах [7, 69] приведены данные, полученные для морской воды, находящейся в реальных условиях, там же есть данные о влиянии на прочность жидкости поверхностного натяжения и вязкости.
Необходимо отметить, что экспериментально достаточно трудно учесть влияние вязкости, плотности, поверхностного натяжения, наличия твёрдых взвесей и иных факторов по отдельности. Их влияние комплексное, и изменение одного из параметров, например вязкости, водного раствора глицерина неминуемо приводит к изменению коэффициента поверхностного натяжения и плотности. Воспользоваться накопленными к настоящему времени сведениями о влиянии физических свойств жидкости на её кавитационную прочность применительно к топливам, являющимся сложными органическими соединениями, можно только на качественном уровне.
Ниже приводятся некоторые количественные данные по особенностям ка-витационного процесса в топливах в сравнении с дистиллированной отстоявшейся водой. На рисунке 4.6 приведены результаты измерения в автоматическом режиме величины критического значения акустического давления для одних и тех же проб воды, дизельного топлива и мазутов марок Ф-5 и Ф-12. Методика измерений состояла в следующем: проба жидкости после пятису-точного отстаивания помещалась в предварительно тщательно промытый и обезжиренный измерительный объём, который располагался в термостате с
Нижняя сплошная кривая получена для пробы дистиллированной воды при усреднении результатов двух суточных измерений. Пунктирная кривая соответствует другой пробе дистиллированной воды без усреднения результатов. Как показали измерения, кавитационная прочность воды не оставалась постоянной, изменяясь в течение времени всего опыта (10 суток) более чем на один порядок. Усмотреть какую-либо закономерность в изменении кавитационной прочности воды в течение 10 суток не удалось. Не обнаружено такой закономерности для воды и при измерении значений РА с интервалом между двумя соседними измерениями в 1 час. На рисунке 4.7 приведены значения кавитационной прочности воды, нормированные относительно среднего арифметического значения. Сплошная кривая получена для дистиллированной очищенной и отфильтрованной воды, пунктирная кривая соответствует изменению кавитационной прочности обычной водопроводной воды.
Водопроводная вода, на наш взгляд, продемонстрировала более стабильные кавитационные свойства вследствие наличия в ней большого числа кави-тационных ядер по сравнению с дистиллированной водой. Ситуация та же, что и с кипением. Образование конкурентной фазы начинается на зародышах определённого размера, которыми водопроводная вода насыщена, т.е. в исследуемом объёме воды в любой момент времени имеется достаточное число полостей, способных терять устойчивость при данной величине акустического давления.
Дистиллированная очищенная вода содержит крупных зародышей существенно меньше, поэтому, чтобы кавитационное событие произошло, необходимо попадание одного из них в область пониженного давления либо в объёме должны протекать явления, способствующие укрупнению зародышей. Например, имеющиеся полости докритического размера в течение предшествующих посылок могут пульсировать, увеличивая свой объём за счёт явления выпрямленной диффузии.
Жидкие сорта топлив, имея более высокую кавитационную прочность, продемонстрировали и большую её стабильность, особенно это относится к мазутам. Так например, для мазута Ф-12 максимальный разброс порога кавитации не превышает 25 %, в то время как у дистиллированной воды такой разброс превосходил один порядок величин. У дизельного топлива изменение кавитационного порога составляет примерно 30 %. Полученные результаты вполне коррелируют с данными рисунка 3.21, где приведены плотности распределения газовых полостей в исследуемых сортах топлива.
Жидкие сорта судовых топлив содержат меньше кавитационных ядер, чем вода, что и определяет более высокую по сравнению с водой кавитационную прочность. Кроме того, топлива имеют большую вязкость, даже дизельное топливо при комнатной температуре 18 С имеет кинематическую вязкость в девять раз большую, чем у воды. К сожалению, не представилось возможности провести прямые измерения газосодержания топлив ввиду отсутствия аппаратуры и соответствующих методик, поэтому оценка влияния этого параметра производилась по измерениям кавитационных порогов в топливах с разным временем отстаивания после их перемешивания в турбулентном режиме.
На рисунке 4.8 приведены данные измерений, полученные на пробах жидкостей, подвергшихся предварительному перемешиванию в течение двух минут в турбулентном режиме лопастной мешалкой при Rec= 1-Ю4.
После окончания перемешивания проба помещалась в измерительный объем, и начинался контроль кавитационного порога. Для водопроводной воды было обнаружено увеличение пороговых значений третьей гармоники сигнала в первые 20 минут отстаивания. По прошествии 3-4 часов кавитаци-онные свойства воды начинали хаотически меняться вблизи некого среднего значения, что свидетельствовало о том, что все крупные газовые пузырьки, образованные предшествующим турбулентным движением, всплыли на поверхность, а оставшиеся — частично уменьшили свои размеры вследствие диффузионных процессов.
Несколько иначе эти процессы протекали в топливах. Прочность топлив монотонно увеличивалась на протяжении первых семи часов отстаивания, процесс стабилизации газосодержания занимал существенно большее время, чем в воде. В пренебрежении влиянием акустического воздействия на зародыши скорость их всплытия в неподвижной жидкости определяется уравнением О.А. Капустиной [171]:
Поскольку вихревая гидродинамическая кавитация начинается всегда в режимах развитого турбулентного движения жидкости, то её нельзя считать отстоявшейся. Как было отмечено ранее, при интенсивном перемешивании происходит процесс перехода растворённого в жидкости газа в свободное состояние. Исходя из предполагаемой технологической схемы приготовления водотопливных эмульсий по проточной схеме (рис. 2.4, 2.6), их пребывание в эмульгаторе не должно быть продолжительным. Для выяснения особенностей влияния времени турбулентного перемешивания топлива на его кавитацион-ные свойства были проведены измерения критических значений акустического давления, которые приведены на рисунке 4.10.
